19.1: Radioattività ed equazioni nucleari

La chimica nucleare è lo studio delle reazioni che comportano cambiamenti nella struttura nucleare. Il nucleo di un atomo è composto da protoni e, ad eccezione dell'idrogeno, neutroni. Il numero di protoni nel nucleo è chiamato numero atomico (Z) dell'elemento, e la somma del numero di protoni e del numero di neutroni è il numero di massa (A). Gli atomi con lo stesso numero atomico ma numeri di massa diversi sono isotopi dello stesso elemento.

Un nuclide di un elemento ha un numero specifico di protoni e neutroni ed è in uno specifico stato di energia nucleare. La notazione per un nuclide è , dove X è il simbolo dell'elemento, A è il numero di massa, e Z è il numero atomico. Ci sono anche diverse notazioni stenografiche per i nuclidi, molte delle quali omettono il numero atomico. Ad esempio, può essere scritto carbonio-14, C-14 o ¹⁴C.

Se il nuclide si trova in uno stato eccitato temporaneo, questo è in genere indicato con un asterisco. Se si trova in uno stato eccitato più longevo, chiamato stato metastabile, questo è indicato aggiungendo 'm' al numero di massa. Ad esempio, l'isotopo tecnezio-99 esiste come stato-suolo e metastabile . Se c'è più di uno stato metastabile per un dato isotopo, sono numerati in ordine energetico crescente. Ad esempio, l'isotopo tantalio-180 ha cinque nuclidi: stati del suolo e stati metastabili , , e   .

Le reazioni nucleari sono le trasformazioni di uno o più nuclidi in un altro, che avvengono attraverso cambiamenti nei numeri atomici, nei numeri di massa o negli stati di energia nucleare dei nuclei. Per descrivere una reazione nucleare, usiamo un'equazione che identifica i nuclidi e le particelle coinvolte nella reazione. Come per le reazioni chimiche, le reazioni nucleari obbediscono alla conservazione della massa: la somma dei numeri di massa dei reagenti è uguale alla somma dei numeri di massa dei prodotti.

Molte particelle o fotoni diversi possono essere coinvolti nelle reazioni nucleari. Le più comuni sono le particelle alfa (α o ), che sono nuclei di   elio-4 ad alta energia; particelle beta (β), che includono elettroni (e⁻ o β⁻) e positroni (e⁺ o β⁺); raggi gamma (γ); neutroni (   ); e protoni (p⁺ o   ).

Alcuni nuclidi rimangono intatti indefinitamente, o sono stabili, mentre altri si trasformano spontaneamente in altri nuclidi, o sono instabili. Il cambiamento spontaneo di un nuclide instabile in un altro è il decadimento radioattivo. Il nuclide instabile è chiamato nuclide genitore, e il nuclide che deriva dal decadimento è noto come nuclide figlia. Il nuclide figlia può essere stabile, o può decadere da solo.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.1: Struttura nucleare e Stabilità e Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.2: Equazioni nucleari.

Fonti aggiuntive

Iupac. Compendium of Chemical Terminology, 2a ed. (il "Libro d'oro"). Compilato da A. D. McNaught e A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Versione online (2019-) creata da S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Accesso 2021-01-10

Agenzia internazionale per l'energia atomica, sezione dati nucleari. Grafico in diretta dei Nuclidi. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Accesso 2021-01-10

La regione più densa di un atomo è il nucleo, contenente protoni e neutroni detti collettivamente nucleoni. Il tipo di atomo definito da un numero specifico di protoni e neutroni è indicato come nuclide. La notazione per un nuclide comprende un simbolo dell'elemento, un numero atomico e un numero di massa.

Una delle numerose notazioni abbreviate per i nuclidi usa il nome dell'elemento, un trattino e il numero di massa. I nucleidi con lo stesso numero atomico ma diversi numeri di massa sono detti isotopi l'uno dell'altro. Pertanto, il carbonio qui mostra tre isotopi.

I nuclidi sono anche caratterizzati dal loro stato energetico. Per esempio, il singolo isotopo tecnezio-99 esiste in due diversi stati:lo stato di energia inferiore, e uno stato eccitato di lunga durata, detto stato metastabile. Queste due specie, anche se hanno lo stesso numero di protoni e neutroni, sono nuclidi differenti.

Si noti che alcuni elementi nella tavola periodica hanno nuclidi stabili, che rimangono intatti indefinitamente. Al contrario, alcuni elementi hanno solo nuclidi instabili, detti radionuclidi. Per esempio, la disintegrazione nucleare spontanea dell'uranio-238 produce torio-234.

Il processo è detto decadimento radioattivo. Il nuclide-figlia prodotto durante il decadimento può essere stabile o radioattivo. Il processo è accompagnato dall'emissione di piccoli frammenti o radiazioni elettromagnetiche.

Le particelle alfa sono equivalenti ai nuclei di elio. La loro emissione riduce il numero atomico di 2 e il numero di massa di 4. Le particelle beta sono equivalenti agli elettroni;quando emesso, il numero atomico del nuclide-figlia aumenta di 1.

Poiché portano una carica negativa, è detta radiazione beta-meno. L'emissione di un positrone, che ha la stessa massa di un elettrone ma carica opposta, diminuisce il numero atomico di 1. Questa viene spesso definita emissione beta-plus.

I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia, la cui emissione non cambia né il numero atomico, né quello di massa. L'emissione di protoni riduce il numero di massa e il numero atomico di 1 ciascuno, mentre l'emissione di neutroni riduce il numero di massa di 1. Le equazioni nucleari mappano la differenza fra nuclidi-genitore e figlia, e indicano la natura del decadimento.

Il decadimento radioattivo dell'uranio-238 in torio-234 è accompagnato dall'emissione di particelle alfa. Le equazioni nucleari sono bilanciate proprio come le equazioni chimiche. La somma dei numeri di massa è la medesima su ambo i lati dell'equazione.

Poiché questo è il decadimento alfa, così è la somma dei numeri atomici.

• Nuclear Chemistry - Study of reactions involving changes in nuclear structure.
• Protons - Stable subatomic particles with a positive electric charge
• Atomic Number (Z) - Number of protons in the nucleus of an atom
• Mass Number (A) - Sum of the number of protons and neutrons in an atom
• Nuclide - A specific type of atom characterized by its proton count, neutron count, and nuclear energy state

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• Contrast Stable vs Unstable Nuclides – Describe stability in relation to nuclear chemistry (e.g., stable nuclide)
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• What is the role of protons in defining a nuclide?
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