1

© 2009 Brooks/Cole - Cengage Slide da: Kotz, Treichel, Townsend - Chemistry 2017

2

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

3

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

4

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Tipi di Radiazione

5

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Potere penetrante delle radiazioni

6

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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.

7

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Reazioni Nucleari •  Emissione alfa

Il numero di massa (A) diminuisce di 4 unità, mentre il numero atomico (Z) diminuisce di 2 unità.

8

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Reazioni Nucleari •  Emissione beta

Il numero di massa (A) resta invariato e il numero atomico (Z) aumenta di 1 unità.

Spiegazione:

9

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Serie di Decadimento Radioattivo

10

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

11

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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.

12

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

13

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

14

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Stabilità Relativa dei Nuclei

15

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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.

16

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Tempo di Dimezzamento

Decadimento di 20.0 mg di 15O. Ogni due minuti la quantità di 15O si dimezza.

17

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

18

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

19

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

20

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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.  

21

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

22

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Fissione Nucleare

23

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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

24

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

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”

25

© 2009 Brooks/Cole - Cengage

Effetti delle Radiazioni