IL NUCLEO ATOMICO
Nel 1906 Rutherford ha provato a lanciare raggi alfa attraverso un minerale chiamato mica, e vide che i raggi alfa deviavano leggermente dalla loro traiettoria, non sapeva però il motivo.
Uno studente, Ernest Marsden, eseguì un esperimento che consisteva nel mandare particelle alfa (particelle derivanti da processi radioattivi che più tardi si scoprirono essere nuclei di elio) attraverso una lamina di metallo in una camera a vuoto. Rutherford e Geiger avevano osservato che si producevano deviazioni di tipo aleatorio quando i raggi attraversavano il metallo. Furono scelte lamine d’oro molto sottili, in modo che le particelle alfa non fossero completamente assorbite dal metallo e si potesse cosi studiare
l’interazione mediante trasmissione.
Al di là della sottilissima lamina d’oro veniva collocata una superficie con solfuro di zinco, come rilevatore.
Questa sostanza è caratterizzata dal fatto di emettere una luce fluorescente all’impatto delle particelle alfa.
Osservando i bagliori fluorescenti era possibile stabilire il punto d’impatto sullo schermo rilevatore, e quindi determinare la traiettoria tracciata dalle particelle che attraversavano la lamina.
Per generare le particelle alfa, veniva utilizzato radio o radon, che sono elementi altamente radioattivi. Per indirizzare i raggi nella direzione desiderata, la sorgente fu posta in un recipiente di piombo, in grado di assorbire le radiazioni, dotato di una sottile fessura che permetteva di dirigere i raggi verso la camera a vuoto in cui si trovava la lamina.
schermo rilevatore di solfuro di zinco Traiettoria dei raggi
Lamina d’oro
Fascio di particelle alfa
Piombo radio
L’unica particella subatomica conosciuta a quell’epoca erano gli elettroni; di essi era noto che avessero carica negativa e massa trascurabile rispetto agli atomi. Poiché l’atomo mostrava una carica complessiva neutra, J.J. Thomson, lo scopritore degli elettroni, pensò che le cariche negative dovessero galleggiare in una sostanza vaporosa di carica positiva. Questo modello atomico fu denominato modello Thomson.
Se il modello di Thomson fosse corretto, con l’esperimento, i raggi alfa non avrebbero dovuto subire nessuna deviazione poiché gli elettroni avevano massa molto piccola e non c’era niente che avrebbe potuto deviare i raggi alfa.
In un esperimento successivo si osservò che non tutti i raggi alfa deviavano.
Poiché i raggi alfa hanno carica positiva, si dedusse che i raggi erano deviati da una particella con carica positiva.
Rutherford dedusse che gli atomi avessero un nucleo infinitamente piccolo, poiché la maggior parte dei raggi alfa non era deviata, e composto da particelle di carica positiva.
Legge delle proporzioni multiple (Dalton): Quando due o più elementi si combinano per dare più di un composto, le masse di uno di essi, che si lega a una massa fissa dell’altro, hanno come relazione numeri interi e semplici.
Dalla legge delle proporzioni multiple deriva il principio di conservazione della massa il quale dice che in ogni reazione chimica, la massa dei reagenti sarà uguale a quella dei prodotti.
Se si ritiene che un composto si formi partendo da due atomi di elementi diversi che già rispettano una certa proporzione di peso tra di loro, allora, qualunque, sia la quantità di composto sia prendiamo, manterrà sempre la medesima proporzione. Dalton aveva scoperto la relazione costante delle masse dei componenti di una sostanza eterogenea con i pesi dei componenti di una sostanza.
Dalton stabilì che ogni elemento era costituito da un tipo di atomi uguali tra loro e differenti dal resto degli elementi. Una delle caratteristiche che Dalton determinò per differenziare gli atomi era il loro peso
atomico.
Un gas è composto da un insieme di atomi che collidono tra di loro e con le pareti del recipiente in cui si trovano, come palle da biliardo. Maxwell e Boltzmann determinarono che l’energia media di ciascuno degli atomi di gas nel loro continuo movimento era legata alla pressione e alla temperatura.
Thomson nel 1897 scoprì gli elettroni e le loro caratteristiche grazie ai tubi catodici.
Un tubo a vuoto viene introdotto un catodo, di carica negativa, e un anodo, di carica positiva, questo produce dei raggi catodici che emettono una luce verde quando colpiscono l’estremità del tubo di vetro, a causa della fluorescenza, e caratterizzati, in linea di principio, dal fatto di spostarsi in linea retta.
Quest’ultimo dettaglio fu scoperto inserendo un corpo al centro del tubo generando un’ombra sulla parete di fondo. Si osservò inoltre che questi raggi, colpendo una ventola erano in grado di farla muovere
deducendo che sono costituiti da particelle dotate di massa.
Avvicinando un magnete al tubo catodico si osservò che il polo positivo del magnete stesso attirava i raggi, mentre il polo negativo li respingeva, traendo la conclusione che le particelle che componevano i raggi avessero carica negativa scoprendo così gli elettroni.
Secondo Planck, l’energia non era continua ma presente sotto forma di pacchetti. Einstein dedusse che un metallo emette elettroni quando la radiazione elettromagnetica lo colpisce proponendo che gli elettroni assorbissero l’energia dei fotoni, e che questa permettesse loro di liberarsi dagli atomi ed essere emessi, acquisendo l’energia cinetica sufficiente, e separarsi dal nucleo.
Secondo Bohr, gli elettroni potevano muoversi solo su certe orbite specifiche e predeterminate. Non tutte le orbite erano consentite né gli elettroni potevano ruotare caoticamente intorno al nucleo. Bohr stabilì che gli elettroni devono andare a posizionarsi a certe distanze determinate dal nucleo, che costituiscono livelli, e ciascuno di questi livelli è associato a una certa energia. Gli elettroni più vicini al nucleo sono più
fortemente legati a esso, e viceversa. Mentre gli elettroni rimangono in uno dei livelli di energia, non subiscono alcuna variazione energetica. Il cambiamento di energia avviene quando gli elettroni si muovono
da un livello all’altro. Ciò accade quando gli elettroni assorbono energia, ad esempio proveniente da una fonte esterna, così che si eccitano e realizzano un salto quantistico verso un livello più esterno. Se l’energia è sufficiente, possono arrivare a sfuggire dall’atomo. Al contrario, quando si attenua l’energia, è perché gli elettroni eccitati ritornano a un livello energetico inferiore e più vicino al nucleo.
Quando si fa passare un raggio di luce bianca attraverso un prisma, questa si scompone in diversi colori. Se prima della dispersione cromatica la luce ha attraversato un gas, quando la si scompone, si osserva che diverse strisce di colori sono assenti. Questo fenomeno, chiamato spettro di assorbimento, vede il suo completamento nello spettro di emissione, che si ottiene quando lo stesso gas è portato a una temperatura elevata fino ad arrivare a emettere luce. Se si filtra questa luce, si osservano solo determinate bande di colore e si nota che lo spettro di emissione e di assorbimento di un materiale, s’incastrano perfettamente.
Rontgen stava studiando il potere di penetrazione dei raggi catodici, e, in particolare, voleva verificare se potessero attraversare l’alluminio. Durante l’esperimento tenne le luci spente e pose un cartone nero a copertura del tubo per impedire che i raggi fuggissero. Quando collegò il tubo a raggi catodici, per caso notò che uno schermo che si trovava in lontananza con materiale fluorescente aveva cominciato a brillare. I bagliori sparivano appena si disinseriva la corrente del tubo. Era evidente che dal tubo emergevano dei raggi di natura diversa da quelli catodici, poiché questi ultimi in linea di principio dovevano essere assorbiti dal cartone, scoprendo che questi raggi potevano attraversare oggetti solidi. Li chiamò raggi X.
Nel 1896, Becquerel prese del sale di uranio e lo pose su una lastra fotografica che in precedenza aveva avvolto in carta nera. Esponendo il minerale ai raggi del sole, ne veniva provocata la fluorescenza.
Dopo alcune ore di esposizione alla luce solare, il minerale divenne fluorescente, e scoprendo la lastra fotografica osservò che l’immagine del minerale era rimasta impressa. Una settimana più tardi volle ripetere l’esperimento, ma poiché il cielo era nuvoloso, mise l’uranio e la lastra fotografica in un cassetto per utilizzarli un altro giorno. Quando giorni dopo andò a cercare la piastra e il minerale, osservò che era rimasto disegnato nuovamente il contorno del minerale. Il minerale era rimasto al buio all’interno del cassetto, quindi la stampa non poteva essere dovuta alla fluorescenza scoprendo così i raggi di Becquerel.
I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica caratterizzata dalla sua alta frequenza, ossia possiedono elevata energia. Si possono produrre quando le particelle caricate elettricamente subiscono forti accelerazioni o decelerazioni. Sebbene si tratti di raggi invisibili all’occhio umano, le lastre fotografiche sono sensibili alle loro radiazioni, così che ne registrano il passaggio, rimanendo impresse.
I raggi X fanno parte dello spettro elettromagnetico. Insieme ai raggi gamma, sono le radiazioni più energetiche di tutto lo spettro: hanno la massima frequenza e la lunghezza d’onda minima.
Raggi gamma: frequenza ≥ 300 EHz lunghezza d’onda ≤ 1 pm
Raggi X: frequenza da 30 PHz a 300 EHz lunghezza d’onda da 10 nm a 1 pm UV: frequenza da 749 THz a 30 PHz lunghezza d’onda da 400 nm a 10 nm
Luce visibile: frequenza da 428 THz a 749 THz lunghezza d’onda da 700 nm a 400 nm Violetto: frequenza da 668 THz a 789 THz lunghezza d’onda da 380 nm a 450 nm Blu: frequenza da 631 THz a 668 THz lunghezza d’onda da 450 nm a 475 nm
Ciano: frequenza da 606 THz a 631 THz lunghezza d’onda da 476 nm a 495 nm.
Verde: frequenza da 526 THz a 606 THz lunghezza d’onda da 495 nm a 570 nm Giallo: frequenza da 508 THz a 526 THz lunghezza d’onda da 570 nm a 590 nm Arancione: frequenza da 484 THz a 508 THz lunghezza d’onda da 590 nm a 620 nm Rosso: frequenza da 400 THz a 484 THz lunghezza d’onda da 620 nm a 750 nm Infrarossi: frequenza da 300 GHz a 428 THz lunghezza d’onda da 1 mm a 700 nm Microonde: frequenza da 300 MHz a 300 GHz lunghezza d’onda da 1 m a 1 mm Onde radio: frequenza ≤ 300 MHz lunghezza d’onda ≥ 1 m.
La fluorescenza è la caratteristica che presentano alcuni oggetti di assorbire l’energia dall’ambiente circostante e quindi di emetterla a una lunghezza d’onda diversa da quella originale, nel raggio visibile e in modo quasi istantaneo. E’ un fenomeno che accade a qualsiasi temperatura.
La fluorescenza smette di verificarsi quando la fonte di energia che eccittava il minerale scompare.
Anche la fosforescenza è naturalmente presente come remissione di luce dei minerali riuscendo a
prolungare l’emissione di luce dopo che la sorgente luminosa è stata rimossa, e il periodo di emissione della luce può durare da un secondo ad anni.
Nel 1896, Rutherford e Thomson dimostrarono che i raggi X ionizzano i gas, ossia, un gas diventa un migliore conduttore di elettricità quando è irradiato con raggi X.
Thomson si dedicò allo studio dei raggi catodici affermando che questi erano in realtà particelle di carica negativa che provenivano dagli atomi.
Il metodo di Becquerel per rilevare i raggi X non permetteva di quantificare l’intensità della radiazione per questo Marie e Pierre Curie preferirono studiare le radiazioni in base alle loro proprietà elettriche in questo modo i risultati sarebbero stati quantitativi.
Per eseguire la misurazione Marie si servì di un adattamento dell’ettroscopio, cioè di un elettrometro inventato da suo marito utilizzando l’effetto piezoelettrico dei cristalli di quarzo per costruire un dispositivo molto più sensibile del solito. Poiché l’uranio ionizzava i gas fino a diversi gradi di conduzione elettrica, l’elettrometro al quarzo piezoelettrico fu utile per rilevare le sottili differenze d’intensità della carica elettrica indotta nei gas.
I coniugi Curie erano convinti che le radiazioni de Becquerel avessero origine nell’ambiente. Si trattava di radiazioni che non potevano crearsi spontaneamente dall’interno del minerale ma da una causa esterna.
L’unico fattore che pareva modificare la capacità di ionizzare i gas era la quantità di campione di uranio utilizzata indicando quindi un’origine interna all’uranio stesso.
Rutherford concluse che i raggi provenienti dall’uranio non erano sempre uguali. Riuscì a definire due classi:
i raggi alfa e beta, che si distinguevano per il loro diverso potere di penetrazione.
Per giungere a questa conclusione dispose due lastre di zinco in parallelo, collegò una di queste alla corrente elettrica, e su di essa collocò l’uranio.
L’altra lastra era collegata a un elettrometro, e tra le due c’era un gas. Grazie alla proprietà ionizzante delle emanazioni dell’uranio, il gas doveva smettere di condurre elettricità, e con l’elettrometro si poteva misurare una certa intensità di corrente. Come novità, interpose tra le lastre delle lamine di alluminio, e osservò che la corrente elettrica diminuiva. Sebbene disponesse fogli di diverso spessore, si generava sempre corrente.
Da questo esperimento dedusse che nell’uranio esisteva una radiazione che veniva assorbita dalle lamine di alluminio, mentre altre radiazioni, molto più penetranti, riuscivano ad attraversarle, li chiamo raggi alfa e beta.
Notò che i raggi alfa, sebbene meno penetranti, avessero la capacità di ionizzare i gas molto più elevata dei raggi beta.
Nel 1900 Villard poté osservare che una radiazione sconosciuta era in grado di attraversare qualsiasi lamina di metallo. Ciò significa che esisteva una radiazione dotata di un potere di penetrazione incomparabilmente superiore a quello manifestato dai raggi alfa o beta. Tra le altre caratteristiche, Villard notò che questa radiazione non deviava davanti ai campi magnetici. Questi raggi furono denominati raggi gamma.
Poiché le radiazioni alfa sono formate da nuclei di elio con una grande massa, esse sono assorbite da un foglio di carta. Le radiazioni beta sono sostanzialmente elettroni, hanno solo massa, così da poter acquisire una maggiore velocità rispetto alle particelle alfa con la stessa energia, e pertanto il loro potere di
penetrazione è maggiore a causa di una minore probabilità d’interazione con la materia. Le radiazioni gamma sono le più penetranti, poiché costituiscono le radiazioni con lunghezza d’onda più breve e più energetiche di tutto lo spettro elettromagnetico.
γ
β α
+ - Sorgente radioattiva
Nel 1899, alcuni scienziati tedeschi osservarono che la radioattività, invece di essere un’emissione di attività costante nel tempo, come si credeva in origine, tendeva a diminuire. Nello stesso periodo, iniziò ad
apparire chiaro che le radiazioni beta consistevano fondamentalmente di elettroni, ossia di particelle di carica negativa.
Rutherford sostenne l’ipotesi che le emanazioni, come le chiamò, derivassero dagli elementi radioattivi stessi, e che fossero in grado di permeare di radioattività tutto ciò che si trovava nelle loro vicinanze.
Questa sarebbe stata la causa che influenza le misurazioni.
Rutherford osservò che diversi elementi radioattivi avevano differenti durate di radioattività.
I Curie erano convinti che le emanazioni di elementi radioattivi fossero in grado di provocare la radioattività di altri elementi.
Rutherford pensò che trattandosi di una radioattività indotta, questa variasse a seconda della sostanza esposta all’emanazione.
Con un esperimento osservò che esponendo diversi materiali alle radiazioni del torio veniva misurata sempre la stessa attività radioattiva indipendentemente dal materiale utilizzato.
Nel 1899 scrisse che c’era una stretta correlazione tra un’emanazione e la radioattività eccitata; di fatto, l’emanazione è in qualche modo la causa diretta di quest’ultima. Riteneva che non si trattasse realmente di radioattività indotta, bensì che l’emanazione si posasse su questi materiali e quindi sembrava che
diventassero radioattivi.
Soddy scoprì che l’emanazione in realtà era un gas simile all’argon, cioè inerte, poiché non reagiva con nessuna sostanza. Questo gas fu denominato radon.
Rutherford e Soddy, grazie a degli esperimenti col torio, furono in grado di separare una sostanza dal torio che emetteva la maggior parte della radiazione, chiamando questa nuova sostanza torio X, così come avevano fatto in precedenza Crookes e Becquerel scoprendo l’uranio X dall’uranio.
Scoprirono anche che dal torio X sorgeva un’emanazione.
Soddy e Rutherford dimostrarono che il decadimento e del recupero della radioattività mostrava relazioni di carattere esponenziale tra l’attività e il tempo per entrambi gli indicatori, la cui somma di valori era costante.
In seguito si scoprì che il torio X era in realtà quello che è chiamato isotopo, particolarmente radioattivo, del radio.
Rutherford e Soddy ipotizzarono che dopo un’emissione alfa, il torio si trasformasse in torio X, e dopo un’altra emissione alfa, questo producesse l’emanazione.
Rutherford ripeté l’esperimento sui raggi alfa utilizzando questa volta il radio, che emetteva più raggi alfa rispetto il torio, e utilizzando un dispositivo che generava un campo magnetico più potente.
Da questo esperimento osservò che i raggi alfa deviavano verso il polo negativo del magnete deducendo quindi che avessero carica positiva.
I due esperimenti ebbero due risultati differenti perché i raggi alfa sono molto più massive delle particelle beta.
Tra il 1902 e 1903 Soddy e Rutherford enunciarono che la radioattività avveniva perché un determinato elemento si trasformava in un altro, il che comportava che in questo processo fossero trasferite particelle
alfa e beta. Con la trasformazione o il decadimento dell’atomo originale ne appariva uno nuovo che in realtà non era altro che un elemento chimico a sua volta radioattivo.
Questo era caratterizzato dall’essere più instabile ed emette più radiazioni in modo che decadeva molto più rapidamente formando altri elementi a loro volta radioattivi.
Le radiazioni alfa e beta furono considerate conseguenza di tale decadimento all’interno della materia, di quell’instabilità essenziale degli atomi di elementi radioattivi. Non erano più viste come radiazioni, ma come particelle che fuoriuscivano dagli atomi, così da alterarne la struttura, la natura. Gli atomi si trasmutavano spontaneamente da un elemento in un altro.
Le particelle alfa sono nuclei di elio che uscendo da un elemento ne produce un altro meno stabile e che di solito ha una radioattività superiore.
Le radiazioni beta derivano da trasformazioni del nucleo poiché quando un neutrone decade da luogo a un protone e un elettrone.
Si dedusse che c’era un elemento padre con un peso atomico molto elevato, dal quale derivano i discendenti fino a che il processo termina dando origine a un elemento con natura stabile.
Isotopi: atomi dello stesso elemento chimico che però differiscono per il numero di neutroni che costituiscono il nucleo, hanno quindi diversa massa atomica, ma il numero di protoni ed elettroni è lo stesso.
Rutherford si rese conto che la durata dell’esistenza di un elemento radioattivo era come un’impronta digitale che permetteva di identificare di quale elemento si trattasse, inoltre osservò che da un punto di vista statistico il decadimento avviene seguendo una certa regolarità, anche se è impossibile determinare con precisione quando avverrà un decadimento, considerando i decadimenti presi nel loro complesso, è possibile stabilire una sistematizzazione. In altre parole, per un elemento radioattivo, la probabilità che in un nucleo di questo elemento si produca un decadimento per unità di tempo, è costante. Questa costante è nota come costante di decadimento radioattivo ed è rappresentata dalla lettera λ.
Tempo di dimezzamento: tempo necessario affinché il numero di atomi radioattivi di un elemento si dimezzi.
Rutherford e Geiger idearono un tubo che permetteva di contare i raggi alfa (Contatore Geiger).
Grazie al contatore poterono stabilire il numero di particelle provenienti da una sorgente radioattiva.
Poiché potevano determinare la carica totale prodotta dal flusso di particelle, ciò consentì loro di accertare la carica di una particella dividendo la carica totale catturata per il numero di particelle captate.
Con questo numero in mano emerse l’identificazione della radiazione alfa con lo ione di elio, cioè le particelle alfa erano nuclei di elio ai quali mancavano i loro due elettroni.
Il cuore del contatore Geiger è costituito da un tubo contenente un gas a bassa pressione. Lungo l'asse del tubo è teso un filo metallico, isolato dal tubo stesso. Tra il filo e il tubo si stabilisce una differenza di potenziale, attraverso una resistenza dell'ordine del miliardo di ohm.
Il contatore Geiger è una camera a deriva, un particolare tipo di camera proporzionale a multifili cioè
un rilevatore di particelle in grado di misurare la traiettoria di una particella che interagisce con il gas contenuto nella camera, utilizzata nel limite in cui la tensione satura (ovvero in modo che la tensione prodotta dal passaggio della particella ionizzante non dipenda dall'energia rilasciata da questa - e quindi dal numero delle coppie ione-ione prodotte -).
Infatti, quando una radiazione attraversa il tubo e colpisce una delle molecole del gas, la ionizza, creando una coppia ione-elettrone. In questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria:
come nelle altre camere a deriva, gli ioni primari sono accelerati a sufficienza da creare ionizzazioni secondarie, urtando con le altre molecole di gas; ma la peculiarità del contatore geiger è che il campo elettrico è talmente intenso che anche le ionizzazioni secondarie creano a loro volta ulteriori ionizzazioni.
Questo processo è detto moltiplicazione a valanga.
L'impulso elettrico risultante sarà testimone dell'avvenuto contatto con una radiazione ionizzante, e sarà contato da un circuito elettronico. A seconda del numero di conteggi fatti in un'unità di tempo, riusciamo a capire se siamo in presenza di una sorgente radioattiva, e la sua pericolosità.
Rutherford eseguì uno sperimento, dove bombardò gli atomi di azoto gassoso con particelle alfa e osservò che rilasciavano nuclei d’idrogeno.
Inoltre costatò che il nucleo d’idrogeno originava dal nucleo degli atomi di azoto, gli atomi di azoto si trasmutavano simultaneamente in ossigeno.
Concluse che le particelle alfa collidevano ed erano assorbite dai nuclei di azoto, il nucleo risultante era di natura instabile, per cui una certa particella proveniente dal nucleo doveva essere emessa per stabilizzarlo.
Queste particelle staccatesi dal nucleo, di carica positiva e dalle caratteristiche identiche al nucleo d’idrogeno erano i protoni.
Con questo esperimento costatò che il numero di protoni del nucleo di un atomo determina il tipo di elemento, aumentare o diminuire questo numero modifica la natura dell’elemento.
Le particelle alfa sono costituite da 2 protoni e 2 neutroni. Lanciandole contro nuclei di azoto, che ha 7 protoni, i protoni delle particelle alfa possono entrare in collisione con il nucleo atomico e penetrare nel nucleo transitoriamente: il nucleo quindi ospita 9 protoni. Come prodotto finale della disintegrazione, 8 di essi sono tenuti insieme a formare il nucleo dell’atomo di ossigeno, mentre il protone rimanente è emesso.
Mosley concluse che osservando la lunghezza d’onda dei raggi X emessi dagli atomi, essa mostrava una relazione diretta con il numero di cariche positive, il numero atomico indicato dalla lettera Z. La differenza nel numero di protoni era ciò che distingueva un elemento dall’altro e ciò che determinava quindi le proprietà fisico-chimiche dell’elemento.
Nel 1928 Bothe e Backer utilizzarono particelle alfa provenienti dal polonio e le lanciarono sul berillio.
Come risultato, si ottennero radiazioni molto penetranti e di carica elettrica neutra.
Qualche anno più tardi Irène Curie e suo marito Frédéric Joliot, si resero conto che esponendo paraffina a questa radiazione neutra, venivano emessi protoni.
Chadwick, non convinto dei risultati degli scienziati francesi, ripeté gli esperimenti usando diversi elementi e osservò che queste radiazioni erano in grado di penetrare il piombo, deducendo che questa radiazione in realtà era composta da particelle neutre della stessa massa del protone scoprendo così una nuova
particella, il neutrone.
n0 amplificazione oscillografo del segnale registratore
sorgente di polonio α berilio
bersaglio vuoto
Nel 1932 Carl Anderson scoprì, studiano i raggi cosmici attraverso una camera a nebbia, la presenza di una particella avente la stessa massa dell’elettrone ma con carica positiva scoprendo l’anti-elettrone chiamato positrone, una particella dell’antimateria.
Joliot e Curie fecero un esperimento, si servirono del polonio come fonte di particelle alfa e bombardarono una lamina di alluminio, a un certo punto furono emessi positroni e osservarono che quando smisero di bombardare l’alluminio, che con l’impatto si è trasformato in fosforo, continuava a emettere radiazioni.
Erano riusciti a trasformare un elemento stabile in uno radioattivo.
Come risultato delle loro osservazioni, riuscirono anche a concludere che il decadimento che dà luogo alla radioattività poteva produrre sia elettroni sia positroni (decadimenti ).
La fissione nucleare si basa sul bombardamento con neutroni di materiali come l’uranio, questo bombardamento divide il nucleo dell’atomo in due, in questo caso in bario e kripton e rilasciando tre neutroni che a loro volta scindono altri tre nuclei dando origine a una reazione a catena.
Nel 1964 Gell-Mann scoprì l’esistenza dei quark.
Esistono sei tipi di quark: up, down, charm, strange, top e bottom.
Gell-Mann scoprì che i quark unendosi a tre generano protoni e neutroni, due quark up e un down formano un protone e un quark up e due down formano un neutrone.
Nel 1937, lo studio della radiazione cosmica permise di rilevare una nuova particella che fu chiamata muone. Come l’elettrone ha carica negativa, ma è 200 volte più pesante.
Nel 1975 fu scoperta la particella tau anch’essa negativa 3500 volte più pesante dell’elettrone.
Si scoprì anche la controparte simmetrica di ciascuna delle 3 particelle: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico.
Quando tutte queste particelle interagiscono tra loro, intervengono altre particelle, le più note sono il fotone e il gluone.
Quest’ultimo sorge nelle interazioni forti e spiega perché le particelle del nucleo siano fortemente legate tra loro superando le forze elettrostatiche di repulsione.
Queste particelle intermediarie sono chiamate bosoni.
I bosoni W e Z agiscono nelle interazioni deboli.
Quark Bosoni
intermediari
Up u Charm c Top t Fotone ϒ
Down d Strange d Bottom d Gluoni g
Elettrone e Muone µ Tau τ Neutrino
dell’elettrone νe
Neutrino del muone
Neutrino del tao
Nel 1932 Walton mise in funzione il primo acceleratore di particelle riuscendo a dividere l’atomo di litio il quale nucleo è composto da 3 protoni e 4 neutroni e lanciando un protone genera un nucleo instabile di 4 protoni e 4 neutroni il quale si scinde in due parti uguali composto da due protoni e 2 neutroni, cioè particelle alfa e producendo energia.
Il decadimento radioattivo si riscontra in alcuni elementi poiché la combinazione di protoni e neutroni che formano il nucleo, uniti dalla cosiddetta interazione nucleare forte, ha carattere energicamente instabile.
La radioattività si verifica perché alcuni elementi emettono particelle subatomiche in modo spontaneo senza che questo avvenga in risposta a uno stimolo esterno.
Il numero atomico indicato dalla lettera Z indica il numero di protoni che costituisce il nucleo. Ogni elemento è caratterizzato da un numero specifico ed esclusivo.
Il numero di massa è il numero totale di particelle di un nucleo quindi protoni e neutroni indicato dalla lettera A.
Quando un elemento emette una particella alfa, costituita da due protoni e da due neutroni, significa che il suo nucleo ha un numero atomico minore rispetto all’elemento originale poiché perde 2 protoni.
Il decadimento dovuto alle radiazioni beta può essere classificato in 2 tipi a seconda dei suoi rispettivi meccanismi di decadimento: decadimento
Nel primo è emesso un elettrone che proviene proprio dal nucleo atomico e non a causa della ionizzazione di uno degli elettroni che compongono la nube elettronica che circonda il nucleo. Uno dei neutroni nel nucleo si scinde, dando origine a due particelle: un protone, che rimane nel nucleo, e un elettrone. In questo processo si genera anche un antineutrino elettronico.
Variando il numero di protoni varia il numero atomico e quindi diventa un elemento chimico differente, mail numero di massa rimane invariato in quanto l’elemento perde un neutrone ma acquista un protone.
La seconda forma di decadimento beta dà luogo a un positrone che è un’antiparticella, una particella con la stessa massa dell’elettrone ma con carica positiva.
In questo caso il nucleo perde un protone dando origine a un neutrone, un positrone e un neutrino elettrico. Ciò significa che di nuovo il numero di particelle del nucleo rimane inalterato, al posto di un protone si ottiene un neutrone, e l’elemento questa volta si trasmuta, perdendo un protone cambia la sua identità chimica.
La radiazione gamma invece di emettere particelle emette radiazioni elettromagnetiche, fotoni ad alta energia.
Essa si presenta in molte fasi dei processi radioattivi tra i quali quando una particella del nucleo passa da uno stato eccitato al suo stato fondamentale. Questo fenomeno non produce variazioni dei componenti del nucleo.
