Nucleo atomico

Il nucleo atomico si riferisce alla regione situata al centro di un atomo costituito da protoni e neutroni ( nucleoni ). La dimensione del nucleo (dell'ordine di un femtometro, cioè 10-15 metri ) è circa 100.000 volte inferiore a quella dell'atomo ( 10-10 metri) e concentra quasi tutta la sua massa. Le forze nucleari che agiscono tra i nucleoni sono circa un milione di volte maggiori delle forze tra atomi o molecole . Si dice che un nucleo instabile sia radioattivo , soggetto a trasmutazione , spontanea o causata dall'arrivo di particelle aggiuntive o radiazioni elettromagnetiche .

Caratteristiche fisiche

L'atomo ha una struttura lacunare , vale a dire che tra gli elettroni e il nucleo c'è solo il vuoto , vuoto quantistico quindi non proprio vuoto poiché di energia diversa da zero.

Composizione e struttura

Il nucleo di un atomo è costituito da particelle chiamate nucleoni (protoni caricati positivamente e neutroni elettricamente neutri) fortemente legati insieme (ad eccezione dell'idrogeno 1 H il cui nucleo è semplicemente costituito da un singolo protone). La sua coesione è assicurata dalla forte interazione , la forza principale nel nucleo, che tiene uniti i nucleoni e impedisce loro di allontanarsi l'uno dall'altro.

Per modellare questa attrazione tra nucleoni, possiamo definire un'energia di legame nucleare che può essere calcolata dalla formula di Bethe-Weizsäcker .

Due modelli nucleari possono essere utilizzati per studiare le proprietà del nucleo atomico:

il modello a strati ;
il modello della goccia di liquido .

Gli isotopi sono atomi con lo stesso numero di protoni (stesso numero atomico Z) ma un diverso numero di neutroni.

Un elemento chimico è caratterizzato dal numero di protoni che compongono il suo nucleo, specificamente chiamato numero atomico e notato Z . Un atomo che ha tanti elettroni quanti protoni, il che spiega la sua neutralità elettrica, Z è anche il numero di elettroni di un tale elemento.

Per lo stesso elemento, troviamo in natura diversi nuclidi con diverso numero di neutroni. Questi nuclei sono chiamati isotopi dell'elemento con questo numero atomico. Il numero di massa A di un atomo è il numero totale di nucleoni (protoni e neutroni) che compongono un nucleo. Il numero di neutroni N è uguale a A - Z .

Un nuclide X è quindi un nucleo caratterizzato dal suo numero di massa A e dal suo numero atomico Z ; è indicato con A Z X (leggi XA , essendo implicito il numero atomico).

Ad esempio, l' idrogeno 1 1 H, il deuterio D o 2 1 H e il trizio T o 3 1 H sono tre isotopi dell'idrogeno.

In pratica, il numero atomico Z è generalmente omesso perché è ridondante con il simbolo chimico, per mantenere solo la notazione A X. Quindi, se prendiamo l'esempio sopra citato, l'idrogeno, il deuterio e il trizio ordinari sono più spesso annotati: 1 H, 2 H e 3 H.

Diversi isotopi dello stesso elemento hanno proprietà chimiche simili perché dipendono principalmente dal suo numero di elettroni. Tuttavia, la loro massa atomica distinta consente loro di essere separati utilizzando una centrifuga o uno spettrometro di massa .

Gli isotopi si differenziano anche per la loro stabilità e la loro emivita (o emivita radioattiva ): gli isotopi con un deficit o un surplus di neutroni sono spesso più instabili, e quindi radioattivi . Ad esempio, il carbonio 12 (il più comune) e il carbonio 13 sono perfettamente stabili, mentre gli isotopi di carbonio "più pesanti" di 13 C sono radioattivi (come il carbonio 14 , con un'emivita di 5730 anni). O "più leggeri" di 12 C (come il carbonio 11 , con un'emivita di 20 minuti). Si noti che ci sono anche elementi per i quali tutti gli isotopi sono instabili, come il tecnezio o il promezio .

Isomeri

Gli isomeri nucleari sono atomi con un numero identico di protoni e neutroni (e che quindi appartengono allo stesso isotopo) ma che mostrano stati energetici diversi. Questo di solito è il risultato di una diversa organizzazione dei nucleoni all'interno del nucleo. Lo stato con l'energia più bassa è chiamato "stato fondamentale", e qualsiasi stato con l'energia più alta è chiamato "stato eccitato".

Quando la distinzione è necessaria, gli isomeri diversi dallo stato fondamentale sono identificati dalla lettera "m" aggiunta dopo il numero di massa ed eventualmente seguita da un numero se ci sono più stati eccitati per l'isotopo in questione. Pertanto, l' alluminio 26 ha due isomeri indicati con 26 Al per lo stato fondamentale e 26 m Al per lo stato eccitato. Un altro esempio, il tantalio 179 ha non meno di sette isomeri, che vengono annotati (passando dallo stato fondamentale allo stato eccitato di massima energia): 179 Ta, 179m1 Ta, 179m2 Ta, 179m3 Ta, 179m4 Ta, 179m5 Ta, e infine 179m6 Ta.

In generale, gli stati eccitati sono molto instabili e subiscono rapidamente una transizione isomerica che li porta allo stato fondamentale (o uno stato eccitato meno energetico) e durante il quale l'energia in eccesso viene evacuata sotto forma di un fotone . Tuttavia, ci sono eccezioni e alcuni stati eccitati di alcuni isotopi possono avere un'emivita più lunga rispetto allo stato fondamentale corrispondente (come 180 m di tantalio o 242 m di americio ).

Massa atomica

La massa atomica isotopica di un elemento è la massa corrispondente a N A nuclidi di questo stesso isotopo, N A è il numero di Avogadro (circa 6.022 04 × 10 23 ).

Definizione: la massa degli atomi di N A di carbonio 12 è esattamente di 12 g .

La massa atomica di un elemento chimico è la media ponderata delle masse atomiche dei suoi isotopi naturali; alcuni elementi chimici hanno isotopi radioattivi molto longevi, e quindi la loro composizione isotopica naturale, così come la loro massa atomica, cambia per lunghi periodi di tempo, come le ere geologiche. Questo è particolarmente vero per l' uranio .

Stabilità

Energia di legame

Alcuni nuclei sono stabili, vale a dire che la loro energia di legame è sufficiente, rendendo quindi illimitata la loro durata di vita. Altri sono instabili e tendono a trasformarsi spontaneamente in un nucleo più stabile emettendo radiazioni. Questa instabilità è dovuta al gran numero di nucleoni che diminuisce l'energia unitaria di ciascun legame nel nucleo, rendendolo meno coerente. La trasformazione (spontanea) per radioattività si traduce sempre in un aumento dell'energia di legame media dei nucleoni interessati.

Esistono 3 tipi di radioattività, a seconda del tipo di particella emessa:

Α radioattività se emette uno o più nucleoni (protoni, neutroni o particelle α )
Β radioattività se emette un elettrone o un positrone con un neutrino .

Questi due tipi di radioattività sono il più delle volte accompagnati da radiazioni gamma (emissione di fotoni ).

Esempio:

gli urani 235 e 238 hanno tempi di dimezzamento rispetto a quelli della loro "famiglia" prima di condurre i rispettivi isotopi stabili del piombo .
l' azoto 16 (16 nucleoni, 7 protoni, 9 neutroni) si trasforma in ossigeno 16 (16 nucleoni, 8 protoni, 8 neutroni) secondi dopo la sua creazione per radioattività beta: la bassa interazione trasforma uno dei neutroni nel nucleo in un protone e un elettrone, cambiando così il numero atomico dell'atomo.

Numero di nucleoni

La stabilità di un nucleo atomico dipende dalla natura e dal numero di nucleoni che lo compongono.

È stata riscontrata una frequenza maggiore di nuclei stabili (152) se sono composti da un numero di protoni (Z) e neutroni (N) pari . Questo numero aumenta a 55 per Z pari e N dispari ea 52 per Z dispari e N pari. Ci sono solo pochi nuclei stabili con un numero dispari di protoni e un numero di neutroni.

Esistono anche numeri magici (numero di protoni e / o numero di neutroni) per i quali l'abbondanza naturale di isotopi stabili è maggiore: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Questo è il caso per esempio dell'elio nucleo , doppiamente magico, corrispondente alla particella alfa emessa da certi nuclei.

Metà vita

L'emivita di un isotopo è il periodo dopo il quale, statisticamente, metà degli atomi in un campione iniziale sarà decaduta. I nuclei possono avere emivite molto diverse, in effetti che coprono l' intero intervallo di tempo .

Un nucleo è considerato un elemento (al contrario di una risonanza) quando la sua durata è abbastanza lunga perché una processione elettronica abbia il tempo di formarsi (cioè ~ 10-15 s)

intervallo di durata	Isotopo	Metà vita
<1 secondo	Idrogeno 7	2,2 × 10 −23 s
Da 1 secondo a 1 minuto	Azoto 16	7.13 s
Da 1 secondo a 1 minuto	Fluoro 20	11.163 s
Da 1 minuto a 1 ora	Ossigeno 15	2.037 min
Da 1 minuto a 1 ora	Carbonio 11	20,38 min
Da 1 ora a 1 giorno	Fluoro 18	1.8293 h
Da 1 giorno a 1 anno	Radio 224	3.62 d
Da 1 giorno a 1 anno	Radon 222	3.8235 d
Di anno in millennio	Sodio 22	2.605 anni
	Cobalto 60	5.272 anni
	Trizio ( idrogeno 3)	12.329 anni
	Stronzio 90	28,78 anni
	Cesio 137	30.254 anni
Da millennio a milione di anni	Radio 226	1602 anni
	Carbonio 14	5730 anni
	Cloro 36	301.000 anni
	Alluminio 26	717.000 anni
Da un milione di anni a un miliardo di anni	Plutonio 244	80,8 × 10 6 anni
Da un milione di anni a un miliardo di anni	Uranio 235	704 × 10 6 anni
Da miliardi (10 9 ) a mille miliardi (10 12 ) anni	Potassio 40	1,28 × 10 9 anni
	Uranio 238	4.468 × 10 9 anni
	Torio 232	14.05 × 10 9 anni
	Samario 147	106 × 10 9 anni
Da mille miliardi (10 12 ) a un milione di miliardi (10 15 ) anni	Osmio 184	56 × 10 12 anni
	Indio 115	441 × 10 12 anni
Da milioni di miliardi (10 15 ) a miliardi di miliardi (10 18 ) anni	Vanadio 50	140 × 10 15 anni
Oltre un miliardo di miliardi di anni (> 10 18 anni)	Calcio 48	> 6 × 10 18 anni
	Molibdeno 100	7.8 × 10 18 anni
	Bismuto 209	(19 ± 2) × 10 18 anni
	Zirconio 96	> 20 × 10 18 anni
	Tellurio 130	790 × 10 18 anni
	Xenon 124	1.8 × 10 22 anni
Oltre un milione di trilioni di miliardi di anni (> 10 24 anni)	Tellurio 128	2.2 × 10 24 anni

Nucleo stabile

In effetti, i cosiddetti nuclei stabili lo sono solo nella misura in cui la loro durata di vita è intorno a quella del protone , un barione (meta?) Stabile. Il protone avrebbe, secondo la teoria, un'emivita di circa 10 33 anni, ma gli esperimenti effettuati per misurare questo decadimento del protone, vero caposaldo della materia, non hanno verificato questa previsione: il protone sarebbe più stabile purché.

Dimensione e forma

Il raggio di un nucleone è dell'ordine di 10 −15 m, o 1 fm ( femtometro ), il termine raggio viene qui inteso nel senso di avere una significativa probabilità di rilevare il nucleone nel volume di spazio considerato. In prima approssimazione, generalmente si considera che vale il raggio r di un nucleo di numero di massa A ( modello a goccia liquida ) , con r o = 1.4 fm . Nota quando A è piccolo, specialmente inferiore a 16, r o può essere 1,2 fm . ${\ begin {smallmatrix} r \ = \ r _ {\ circ} {\ sqrt [{3}] {A}} \ end {smallmatrix}}$

Questo è inferiore allo 0,01% del raggio totale dell'atomo. La densità del nucleo è quindi notevolmente maggiore di quella dell'atomo stesso. È approssimativamente costante per tutti i nuclei nel loro stato fondamentale (non eccitati ): circa 200 milioni di tonnellate per cm 3 ( 2 × 10 14 g · cm -3 ), densità del fluido nucleare. (Questo valore sembra troppo basso: vedere la discussione).

La dimensione e la forma effettive di un nucleo specifico dipendono fortemente dal numero di nucleoni in esso contenuti, nonché dal loro stato energetico. I nuclei più stabili hanno generalmente una forma sferica a riposo e possono assumere, ad esempio, la forma di un ellissoide se eccitati. Si possono osservare forme piuttosto strane a seconda degli stati di eccitazione, pera , piattino, persino nocciolina .

Nel caso dei nuclei di alone , alcuni nucleoni possono avere funzioni d'onda nettamente distese, circondando così di un alone il nucleo più compatto formato dagli altri nucleoni. Il litio 11 appare ad esempio composto da un nucleo di litio 9 (l'isotopo più stabile) circondato da un alone di due neutroni; le sue dimensioni sono quindi vicine a quelle del piombo 208 , che ha 20 volte più nucleoni.

Il nucleo stabile più pesante è costituito da 82 protoni e 126 neutroni: è il piombo 208 . Gli elementi più pesanti sono tutti instabili. Fino all'uranio compreso, sono tutti naturalmente presenti sulla Terra, elementi con numero atomico maggiore dell'uranio o presenti in tracce possono essere sintetizzati in laboratorio. L'elemento più pesante fino ad oggi conosciuto ha 118 protoni: è l' oganesson .

Note e riferimenti

Appunti

D'altra parte, due elementi più leggeri dell'uranio non sono naturalmente presenti: tecnezio e promezio . Come gli elementi transuranici , sono stati sintetizzati in laboratorio.

Riferimenti

(it) Tabella degli isotopi del carbonio su Environmentalchemistry.com, e che indica, tra l'altro, la stabilità (o instabilità) di tali isotopi. In particolare si veda la colonna “Half Life”, che indica l' emivita dell'isotopo, a meno che non sia un isotopo stabile. Accesso 6 febbraio 2011.
(in) M Thoennessen , " Raggiungere i limiti della stabilità nucleare " , Reports on Progress in Physics , vol. 67, n o 7,2004, p. 1215 ( DOI 10.1088 / 0034-4885 / 67/7 / r04 , leggi online ).
(in) Collaboration XENON , " Observation of two-neutrino double-electron capture in 124 Xe with XENON1T " , Nature , vol. 568,24 aprile 2019( leggi online ).
Luc Valentin, Il mondo subatomico [ dettaglio delle edizioni ].

Vedi anche

Bibliografia

Luc Valentin, Il mondo subatomico [ dettaglio delle edizioni ]