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© 2009 Brooks/Cole - Cengage Slide da: Kotz, Treichel, Townsend - Chemistry 2017
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Radioattività è il fenomeno per cui piccole particelle di materia (particelle α o β) e/o radiazioni elettromagnetiche (raggi γ) sono emesse da un nucleo atomico instabile
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Isotopi • Atomi di uno stesso elemento (identico Z)
ma differente numero di massa (A). • Boro-10 (10B) ha 5 p e 5 n: 10
5B • Boro-11 (11B) ha 5 p e 6 n: 11
5B
10B
11B
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Tipi di Radiazione
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Potere penetrante delle radiazioni
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Reazioni Nucleari • Ernest Rutherford scoprì che il Ra forma
il gas Rn emettendo una particella alfa.
• 1902—Rutherford e Soddy proposero che la radioattività fosse dovuta alla naturale trasformazione di un isotopo di un elemento nell’isotopo di un’altro elemento.
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Reazioni Nucleari • Emissione alfa
Il numero di massa (A) diminuisce di 4 unità, mentre il numero atomico (Z) diminuisce di 2 unità.
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Reazioni Nucleari • Emissione beta
Il numero di massa (A) resta invariato e il numero atomico (Z) aumenta di 1 unità.
Spiegazione:
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Serie di Decadimento Radioattivo
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Altre Reazioni Nucleari Emissione di Positroni (0
+1β): un protone del nucleo si trasforma in un neutrone 11p 10n + 0+1β
Cattura di elettroni: un nucleo assorbe un elettrone del guscio K trasformando un protone in un neutrone ed emettendo un neutrino.
0
-1e + 11p 10n
207 207
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Fascia di Stabilità e Decadimento Radioattivo 243
95Am 42α + 239
93Np
L’emissione α riduce Z
L’emissione β aumenta Z 60
27Co 0-1β + 6028Ni
Gli isotopi con un basso rapporto n/p, che si trovano sotto la fascia di stabilità, decadono per emissione positronica o cattura elettronica.
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L’Energia di Legame Nucleare, Eb
Eb è l’energia richiesta per separare il nucleo di un atomo in protoni e neutroni. Per il Deuterio, 21H 21H 11p + 10n Eb = 2.15 x 108 kJ/mol
Eb per nucleone = Eb/2 nucleone = 1.08 x 108 kJ/mol nucleone
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Calcolare l’Energia di Legame Nucleare
Per il deuterio, 21H: 21H 11p + 10n Massa 21H = 2.01410 g/mol Massa protone = 1.007825 g/mol Massa neutrone = 1.008665 g/mol Difetto di massa ∆m = 0.00239 g/mol Dalla equazione di Einstein:
Eb = (∆m)c2 = 2.15 x 108 kJ/mol Eb per nucleone = Eb/2 nucleone
= 1.08 x 108 kJ/mol nucleone
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Stabilità Relativa dei Nuclei
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Tempo di Dimezzamento
Il tempo necessario per avere il decadimento di metà degli atomi di un radioisotopo si chiama tempo di dimezzamento (t1/2) e ha valore costante per ogni coppia nucleo genitore / nucleo figlio.
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Tempo di Dimezzamento
Decadimento di 20.0 mg di 15O. Ogni due minuti la quantità di 15O si dimezza.
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Cinetica del Decadimento Nucleare Attività (A) = Disintegrazioni/tempo = (k)(N)
dove N è il numero di atomi e k è la costante di decadimento (tempo–1).
Il decadimento segue una legge o–1 del primo ordine, quindi ln (A/Ao) = -kt
Il tempo di dimezzamento del decadimento radioattivo è t1/2 = 0.693/k
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La concentrazione di 14C (circa 10-12 del totale di atomi di carbonio) resta pressoché costante, per effetto di un equilibrio dinamico fra continua “produzione” da parte dei raggi cosmici e continua “scomparsa” per decadimento radioattivo
protoni cosmici su O, N nella troposfera reazioni (p,n) 14N(n,p), 14C
produzione del 14C in atmosfera:
Radiodatazione del Carbonio-14
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Tramite i vari metabolismi biologici, TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI
PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO e hanno perciò nei loro tessuti 14C, con circa la stessa
concentrazione presente nell’ atmosfera
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La morte degli organismi Quando un organismo muore smette di assimilare il 14C e questo comincia a trasformarsi in azoto, questa trasformazione si chiama decadimento, significa che il 14C diminuisce della metà trasformandosi in un tempo di circa 5730 anni. Gli archeologi e i paleontologi misurano la quantità di 14C che è rimasta nella materia organica che analizzano e in tal modo possono stabilire in che epoca è vissuto un nostro progenitore, un albero, un fossile o qualsiasi residuo organico.
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Esempio di datazione. In questo caso, il campione ha una data compresa tra il 575 d.C. (1375BC) e l'821 d.C. (1129BC) con il 95,4% di confidenza
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Fissione Nucleare
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Schema di una reazione nucleare. 1) Un nucleo di uranio-235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kripton e bario) e libera tre neutroni e dell'energia. 2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio-238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio-235 che si spezza in due atomi liberando due neutroni e dell'energia. 3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio-235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.
Fissione Nucleare
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Unità di Misura delle Radiazioni Curie: 1 Ci = 3.7 x 1010 disintegrazioni/s
Unità SI è il becquerel: 1 Bq = 1 disintegrazione/s
Rad: misura la quantità di energia assorbita
1 rad = 0.01 J assorbiti / kg tessuto
Rem: si basa sul rad e il tipo di radiazione. Quantifica il danno biologico del tessuto.
In genere si utilizza il “millirem”
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Effetti delle Radiazioni