LA STRUTTURA DELLA MATERIA

1. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE LA STRUTTURA DELLA MATERIA • La struttura dell’atomo: il nucleo • La struttura dell’atomo: gli elettroni • - Il legame chimico • - Le forze di interazione intermolecolari

2. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE - + - - Abbiamo già visto come l'atomo sia costituito da un nucleo intorno al quale ‘orbitano’ gli elettroni; il nucleo a sua volta è costituito da protoni e neutroni. Gli elettroni hanno carica negativa, i protoni hanno carica positiva, i neutroni non hanno carica. LA STRUTTURA DELL’ATOMO il termine ‘orbitare’ non è corretto, vedi più avanti!! atomo di idrogeno: 1 protone nel nucleo + 1 elettrone orbitante atomo di elio: 2 protoni (+ 2 neutroni privi di carica) nel nucleo + 2 elettroni orbitanti + +

3. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Ma come si è arrivati a questa visione dell’atomo? La moderna teoria atomica deve le sue origini alle osservazioni di Dalton sulle masse degli elementi che si combinano per formare i composti (leggi ponderali). TEORIA ATOMICA (Dalton, 1807) Punti principali della Teoria Atomica di Dalton: 1) La materia è costituita da particelle piccolissime "elementari“ che non sono ulteriormente scomponibili - gli atomi; 2) gli atomi si combinano secondo numeri piccoli e interi per formare i diversi composti; 3) gli atomi di un certo elemento sono uguali e il loro peso non cambia durante la trasformazione chimica nella visione di Dalton l’atomo è l’entità più semplice e indivisibile che costituisce la materia

4. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Diverse osservazioni sperimentali effettuate fra fine 800 e inizio 900 (JJ Thomson, RA Millikan) confutarono la teoria di Dalton mettendo in evidenza come l’atomo fosse costituito da “entità” ancora più piccole dotate di carica positiva e negativa. schema del dispositivo di Thomson che prova l’esistenza degli elettroni: una scarica elettrica attraversa un gas rarefatto all’interno di un tubo di vetro; la scarica elettrica produce particelle dotate di carica che risentono del campo elettrico applicato; le particelle con carica negativa e massa molto piccola sono proprio gli elettroni (identificati per la prima volta)

5. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE L’evoluzione dei modelli dell’atomo JJ Thomson (1899): a seguito delle sue osservazioni, Thomson formulò un primo modello (sbagliato!) per la struttura degli atomi secondo cui gli elettroni (particelle di carica negativa che lui stesso scoprì) sono immersi in una sfera di carica positiva (“come i canditi nel panettone”) panettone=sfera di carica positiva uniforme canditi=elettroni

6. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE L’evoluzione dei modelli dell’atomo Risultato atteso se il modello di Thomson fosse corretto E Rutherford (1911): dai risultati di una serie di esperimenti risultò evidente che la carica positiva non può essere distribuita uniformemente come suggerito da Thomson; la carica positiva deve essere localizzata in uno spazio ridotto al centro dell’atomo (il nucleo) intorno al quale ruotano gli elettroni (modello planetario). fascio di particelle alfa (He2+) schema dell’esperimento di Rutherford atomo a panettone Risultato effettivo le particelle alfa sono nuclei di elio (con doppia carica positiva, He2+)

7. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Secondo il modello planetario di Rutherford, l'atomo è formato da un nucleo intorno al quale ruotano uno o più elettroni; il nucleo è molto piccolo (dimensioni ~ 10-12-10-13 cm), ha carica positiva ed è molto pesante (quasi tutta la massa dell'atomo vi si trova concentrata); gli elettroni sono carichi negativamente, hanno una massa quasi trascurabile, ma occupano la quasi totalità del volume dell'atomo (dimensioni ~ 10-8- 510-8 cm) Anche il modello di Rutherford è stato superato (vedremo i modelli atomici più attuali in seguito). Resta però il grande merito di aver messo in evidenza l’esistenza del nucleo.

8. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Per caratterizzare un certo nucleo, che è formato da protoni e neutroni, è necessario specificare il numero degli uni e degli altri Il NUMERO ATOMICO, Z, di un elemento è pari al numero dei protoni nel nucleo nonché al numero di elettroni. Il valore di Z identifica la natura chimica dell’atomo (Z  elemento chimico). Il NUMERO DI MASSA, A, è pari alla somma di neutroni e protoni nel nucleo. Quando si indica sia Z che A si è specifici nel senso che non si indica semplicemente l’elemento, ma un tipo di atomo cioè un nuclide. Si definiscono: isotopi: nuclidi che hanno lo stesso Z, ma diverso valore di A 12C, 13C, 14C isobari: nuclidi che hanno lo stesso A, ma diverso valore di Z 41K (Z=19), 41Ar(Z=18) isotoni: nuclidi che hanno lo stesso numero di neutroni, ma diverso valore di A e Z 3H (Z=1,A=3), 4He(Z=2,A=4)

9. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE ad esempio, l’idrogeno ha tre isotopi questo è l’unico caso in cui gli isotopi hanno nome e simboli diversi (H, D, T) trizio, T 3H (Z=1, A=3) prozio 1H (Z=1, A=1) deuterio, D 2H (Z=1, A=2) ad esempio, il boro ha due isotopi il nuclide 10B ha 5 protoni, 5 neutroni e 5 elettroni; il nuclide 11B ha 5 protoni, 6 neutroni e 5 elettroni da un punto di vista chimico (per es. capacità di formare i legami) il comportamento dei due nuclidi del boro è lo stesso 10B (Z=5, A=10) 11B (Z=5, A=11)

10. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE legame chimico compartecipazione o scambio degli elettroni più esterni degli atomi coinvolti reazioni chimiche coinvolgimento delle particelle nucleari (protoni e neutroni) reazioni nucleari

11. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE - il volume del nucleo è proporzionale al numero di nucleoni (cioè sia neutroni che protoni) - forma del nucleo : sfera o sferoide IL NUCLEO ma cosa tiene uniti i nucleoni all’interno del nucleo? La forza responsabile del legame fra i nucleoni è la cosiddetta interazione forte che agisce a distanze molto piccole, dell'ordine di 10-18 cm. molto complessa da spiegare  fisica nucleare è comunque possibile determinare l’energia di legame nucleare: da misure di spettrometria di massa ad alta risoluzione è stato possibile determinare sperimentalmente la massa di ciascun nuclide con una grande accuratezza dalla massa misurata di un nuclide si ottengono informazioni importanti sull'energia di legame tra i nucleoni

12. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE le particelle costituenti l'atomo, nel legarsi insieme hanno perso una parte della loro massa: difetto di massa, ΔM, che è pari a ΔM(AX)= M(AX) – Z  Mp – (A–Z) Mn dove ΔM(AX) è il difetto di massa associato al nuclide AX, M(AX) è la massa del nuclide AX determinata sperimentalmente, Z è il numero atomico, (A-Z) è la differenza fra numero di nucleoni e numero di protoni (cioè il numero di neutroni), Mp è la massa del protone e Mn è la massa del neutrone  il difetto di massa che si riscontra per le varie specie è diverso da nuclide a nuclide  il difetto di massa è strettamente relazionato all’energia di legame fra nucleoni tramite la nota legge di equivalenza fra massa ed energia derivata da Einstein ΔE = ΔM  c2dove c’è la velocità della luce l'energia di legame tra le particelle costituenti il nucleo (nucleoni) è almeno ~106 volte più grande di quelle relative ai legami chimici

13. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE zona di massima stabilità nucleare i nuclei più pesanti possono spezzarsi in nuclei più piccoli con cessione di energia fissione nucleare i nuclei più leggeri possono aggregarsi in nuclei più grandi con cessione di energia fusione nucleare Energia di legame media per nucleone L'energia di legame media per nucleone è l'energia calcolata tramite il difetto di massa diviso per il numero di nucleoni (sia protoni che neutroni). La curva sperimentale che la rappresenta evidenzia un punto di massimo in corrispondenza di un valore di A poco superiore a 50: si tratta del ferro 56, che è dunque il nucleo più fortemente legato e più stabile in assoluto.

14. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE - per gli elementi leggeri con Z<20, la stabilità si ha per N=Z (stesso numero di protoni e neutroni), cioè N/Z=1 - per gli elementi con Z>20, la stabilità si ha per N>Z (ci sono cioè più neutroni di protoni), cioè N/Z>1 Carta di stabilità dei nuclidi tutti i nuclidi esistenti sono riportanti in funzione del numero atomico e del numero di neutroni i nuclidi instabili tendono a decadere, cioè a trasformarsi in altri nuclidi per emissione di particelle nucleari o radiazione (o entrambe)

15. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE PROCESSI NUCLEARI • I nuclidi instabili tendono a trasformarsi in altri nuclidi per effetto di processi nucleari detti • decadimenti radioattivi(emissione di particelle alfa, beta e gamma) • Inoltre, in alcuni contesti i nuclei possono subire trasformazioni radicali a seguito di • - reazioni nucleari(ne esistono di diversi tipi; in questo contesto vedremo esclusivamente le reazioni di fusione e fissione nucleare)

16. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE TIPI DI DECADIMENTO RADIOATTIVO I nuclidi instabili tendono a decadere, cioè a trasformarsi in altri nuclidi per emissione di particelle nucleari o radiazione elettromagnetica. Questo fenomeno viene chiamato radioattività. Esistono tre tipi principali di decadimento radioattivo: alfa, beta e gamma EMISSIONE DI PARTICELLE ALFA () Tipico dei nuclidi instabili molto pesanti, il decadimento  consiste nella emissione da parte di un nucleo di una particella formata da due protoni e due neutroni (cioè un nucleo di 4He). particella  = nucleo di 4He Esempio: l’isotopo 238 dell’Uranio è un nuclide instabile che emette radiazione trasformandosi in 234Th, secondo la reazione 238U(Z=92) 234Th(Z=90) + (Z=2, A=4). L'emissione di una particella trasforma radicalmente il nucleo di partenza: il numero di massa A diminuisce di quattro unità e il numero atomico Z di due (in altre parole cambia sia la natura dell’elemento che la sua massa).

17. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE EMISSIONE DI PARTICELLE BETA () Il decadimento  consiste nella emissione da parte di un nucleo di un elettrone o di un antielettrone (detto anche positrone)  il positrone o antielettrone è una particella con la stessa massa dell'elettrone, ma di carica positiva emissione di un elettrone  decadimento - emissione di un positrone  decadimento +  DECADIMENTO -: nei nuclei non esistono gli elettroni; possiamo allora pensare alla emissione di una particella - come al risultato della trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone + un elettrone (che viene quindi emesso da nucleo stesso) il decadimento - trasforma il nucleo mantenendone inalterato A e aumentando Z di una unità (N.B. cambia la natura dell’elemento, perché è diverso il numero atomico, ma non cambia la massa del nuclide; se mi riferisco alla tavola periodica, l’emissione di particelle - causa uno spostamento di una posizione a destra).

18. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Esempio di decadimento - : il trizio 3H, lo iodio 131, il torio 234 danno tutti spontaneamente un decadimento di questo tipo 3H (Z=1)3He(Z=2) + - 131I(Z=53) 131Xe(Z=54) + - 234Th(Z=90) 234Pa(Z=91) +- DECADIMENTO +: similmente, possiamo pensare alla emissione di una particella + come al risultato della trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone  il decadimento + trasforma il nucleo mantenendone inalterato A e diminuendo Z di una unità (N.B. cambia la natura dell’elemento, perché è diverso il numero atomico, ma non cambia la massa del nuclide; se mi riferisco alla tavola periodica, l’emissione di particelle + causa uno spostamento di una posizione a sinistra). Esempio di decadimento + : il sodio 22 e il cobalto 54 danno spontaneamente un decadimento di questo tipo 22Na(Z=11)22Ne(Z=10) + + 54Co(Z=27) 54Fe(Z=26) + +

19. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE EMISSIONE DI RAGGI GAMMA () Il decadimento  consiste nella emissione da parte di un fotone la cui energia è dell'ordine di grandezza delle energie nucleari I raggi gamma occupano l’estremità ad alta energia dello spettro elettro- magnetico (hanno una lunghezza d'onda minore anche dei raggi X) Si distinguono essenzialmente tre casi: - emissione di un fotone a seguito di un processo di rilassamento di un nucleo eccitato che passa a un livello energetico più basso - emissione di fotoni che accompagna l'emissione di altre particelle ( o  ) - annichilazione elettrone-positrone secondo la reazione -++2  Esempio di decadimento  : quando l’uranio 238 decade per emissione alfa a torio 234, emette anche raggi gamma 238U 234Th +  + .

20. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE • Le caratteristiche dei decadimenti radioattivi • I decadimenti radioattivi sono trasformazioni nucleari spontanee il cui decorso è indipendente dalla temperatura, pressione e stato chimico in cui il nucleo si trova. L’indifferenza a tutto ciò che è fuori dal nucleo medesimo fa sì che si possa caratterizzare il decadimento radioattivo, senza prestare attenzione alle condizioni fisiche e chimiche del campione che si prende in esame. • Il decadimento radioattivo si caratterizza in base a: • la sua natura (alfa, beta, gamma) • energetica • - cinetica di decadimento (tempo di dimezzamento)

21. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Energetica dei decadimenti radioattivi L’energia associata ai decadimenti radioattivi si calcola agevolmente, se sono note le masse di reagenti e prodotti; in particolare, si usa una equazione che mette in relazione il difetto di massa in uma con l’energia in megaelettronvolt, MeV (NB deve esserci un difetto di massa per le reazioni spontanee, che generano quindi energia) con l’energia liberata Q(MeV)=-931,5 ΔM (uma) Per esempio consideriamo il decadimento alfa dell’uranio 238 238U  234Th + α tenendo presente che le particelle alfa sono nuclei di elio abbiamo: massa di 238U = 238,0507785 uma massa di 234Th = 234,043594 uma massa di 4He = 4,002603 uma Q=-931,5 (234,043594 + 4,002603 - 238,0507785) = 4,274 MeV quindil’energialiberatadurantel’emissionediunaparticellaalfada parte di un nucleodiuranio 238 è pari a 4,274 MeV (per nucleo !)

22. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE • Cinetica dei decadimenti radioattivi • Anche l’aspetto cinetico è molto importanteper valutare gli effetti dei decadimenti radioattivi. • la velocità di decadimento è definita come il numero di decadimenti al secondo; la velocità di decadimento dipende dalla quantità di radionuclide e dalla sua natura; in particolare, se considero un certo istante, t, la velocità di decadimento è proporzionale al numero totale di atomi del nuclide radioattivo considerato e presenti al tempo t: • dove , la costante di proporzionalità, è detta costante di decadimento ed è tipicadel particolare radionuclide considerato. • Si dimostra facilmente che il numero di radionuclidi attivi di un campione diminuisce nel tempo con una legge esponenziale di conseguenza anche la radioattività di tale campione diminuisce esponenzialmente nel tempo.

23. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Si definisce tempo di dimezzamento, t½, il tempo necessario a dimezzare la concentrazione di un campione di nuclide radioattivo. Si dimostra facilmente che

24. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Curva di decadimento del bismuto 210 (tempo di dimezzamento= 5 giorni) 210Bi 206Th +  Curva di decadimento dello stronzio 90 (tempo di dimezzamento= 25 anni) 90Sr  90Y + - dopo circa un mese si è essenzialmente esaurito dopo decine di anni è ancora attivo

25. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Implicazioni della cinetica di decadimento sulla pericolosità di un radionuclide La valutazione del carattere nocivo dei diversi nuclidi instabili va fatta considerando la velocità di decadimento (cioè il numero di decadimenti al secondo). In particolare, un nuclide che decade con una velocità considerevole (tempo di dimezzamento piccolo) sarà molto pericoloso appena prodotto (pensate al problema delle scorie radioattive) perché rappresenta una sorgente intensa di radiazioni, ma in un lasso di tempo relativamente breve perderà la proprio pericolosità. Viceversa, un nuclide che decade con velocità piccola (tempo di dimezzamento grande), non risulta essere molto pericoloso nell’immediato perché l’intensità della radiazione non è grande, ma pone problemi di stoccaggio a lungo termine!

26. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE UNITÀ DI MISURA della radiazione nucleare: Attività: - Curie (Ci) = 3,70  1010 decadimendi al secondo - Becquerel (Bq) = 1 decadimeno al secondo SI Il corpo umano ha una radioattività naturale dovuta al 40K e 14C sufficiente a fornire 3700 Bq! - Roentgen (R)= quantità di raggi X o raggi  che produce in un campione di aria pari a 1 mL (STP) 2,1  109 ioni Radiografia al torace 0,5 R Dose assorbita: - rad = quantità di radiazione che deposita una quantità di energia pari a 0,01 joule in un grammo di materia - gray (Gy) = quantità di radiazione che deposita una quantità di energia pari a joule in un chilogrammo di materia (unità scelta dal Sistema Internazionale) - rem= radiation equivalent for man=radfattore qualità (FQ) - sievert = gray equivalente uomo=grayfattore qualità (FQ) - dose letale 50% LD50= dose necessaria ad uccidere il 50% della popolazione LD50=250-450 rem, 50 rem effetti a 20 anni radioattività naturale media 0,1 rem dose massima consentita 5 rem all’anno

27. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE FUSIONE DI NUCLEI LEGGERI: la fusione non è mai un processo spontaneo; è difficile da ottenere in laboratorio a causa della repulsione elettrostatica che allontana i due nuclei positivi interagenti (perché abbia inizio il processo, i nuclei devono invece essere avvicinati fino al punto di far diventare efficace l’interazione forte fra i nucleoni dei due nuclei diversi); per il momento questo è stato ottenuto solo con: 1) acceleratori di particelle 2) altissima temperatura (bombe termonucleari). aggregato intermedio 2H + 3H 4He + n + 17,6 MeV REAZIONI NUCLEARI Sia dalle reazioni di fissione (scissione di un nucleo pesante in due nuclei leggeri), che da quelle di fusione (combinazione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante) si può ricavare energia nucleare. In entrambi i casi, infatti, si sprigiona un'energia pari alla differenza tra l’energia di legame dei nuclei prodotti e quella dei reagenti. stelle a fusione di idrogeno (Sole)

28. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE fissione nucleare neutrone uranio 235 2 nuclei prodotto + 3 neutroni + energia FISSIONE DI NUCLEI PESANTI: raramente è un processo spontaneo, nei casi più comuni è un processo indotto dal bombardamento di neutroni su nuclei pesanti come l’uranio 235: il neutrone collidente viene prima assimilato dal nucleo bersaglio la cui instabilità aumenta al punto da scindersi in due nuclei frammento con emissione di 2-3 neutroni e liberazione di un grosso quantitativo di energia. La fissione di un nucleo può generare nuclei frammento diversi, tanto è vero che si parla di una distribuzione di nuclei frammento. 92 protoni+ 143 neutroni 92 protoni+ 144 neutroni

29. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE 10 1 0,1 0,01 0,001 140 80 120 100 160 Per esempio, nel caso della fissione indotta dell’uranio 235 (alla base del nucleare civile e militare), le rese dei diversi possibili nuclei figlio si dispongono secondo il grafico Anche il numero di neutroni prodotto in ogni cammino è diverso e oscilla fra 2 e 3, così come è diversa l’energetica . Il modo corretto di rappresentare il processo resa (%) 235U + n X + Y + 2,4 n + energia dove 2,4 è il numero medio di neutroni prodotti dai diversi processi mentre l’energia media liberata è pari a 209 MeV (4,7109 kcal/mol). La curva è caratterizzata da due massimi centrati ai valori di A=95 e A=138, il che significa che nuclei frammenti con questo numero di massa hanno la maggior probabilità di essere formati dalla reazione di fissione. numero di massa dei nuclei frammento

30. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE CENNI SUI REATTORI A FISSIONE La reazione di fissione di nuclei pesanti porta alla produzione di una quantità di energia maggiore di molti ordini di grandezza rispetto alle energie prodotte nelle reazioni chimiche che vengono sfruttate per la produzione di energia, come per esempio la combustione di idrocarburi. Inoltre secondo la reazione 235U + n X + Y + 2,4 n + energia per ogni neutrone che viene consumato dall'uranio 235 se ne producono in media 2,4. Vi è così un fattore di moltiplicazione dei neutroni, che vengono poi a loro volta sfruttati per indurre altre reazioni di fissione (reazione a catena). Si definisce fattore di moltiplicazione kil rapporto fra in numero di neutroni generato nello stadio i+1 rispetto al numero di neutroni generato nello stadio i se k<1, non ci sarà reazione a catena perché la reazione non è in grado di autoalimentarsi, se k=1 la reazione a catena raggiunge uno stato stazionario, se k>1 allora il numero di neutroni prodotti aumenta rapidamente da uno stadio all’altro e si raggiunge la cosiddetta condizione supercritica

31. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Quando la quantità di uranio 235 è sufficientemente grande, si riesce ad ottenere un fattore efficace di moltiplicazione superiore ad uno, innescando così una reazione di fissione a catena incontrollata che porta alla produzione di una grande quantità di energia in un breve intervallo di tempo. Questo fenomeno viene sfruttato per scopi militari: in una bomba nucleare viene posta una quantità critica (massa critica) di materiale fissile, cioè tale da avere una moltiplicazione di neutroni molto sostenuta ed una reazione a catena rapidissima (vedi poi). Se, invece, durante la fissione si abbassa il guadagno di neutroni, per esempio aggiungendo dei materiali che assorbono parte dei neutroni prodotti, è possibile far avvenire la reazione in maniera controllata. Questo tecnica è utilizzata nei reattori a fissione nucleare per la produzione di energia. fissione nucleare per scopi bellici fissione nucleare per scopi civili (produzione di energia elettrica)

32. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Schema di un reattore nucleare Un reattore a fissione consiste, schematicamente, in un "nocciolo", dove viene fatta avvenire la reazione di fissione controllata, uno scambiatore di calore che porta fuori dal nocciolo l'energia prodotta e che aziona un dispositivo per rendere utilizzabile tale energia (per esempio delle turbine collegate a generatori di elettricità)

33. I componenti principali di un reattore a fissione sono: 1) barre di combustibile nucleare 2) un moderatore che rallenta i neutroni di fissione 3) un refrigerante che rimuove l’energia termica prodotta durante il processo di fissione 4) barre di controllo (assorbitori di neutroni) che permettono di controllare la velocità di fissione 1) Combustibile: i reattori nucleari richiedono l’uso di un combustibile nucleare, dove per combustibile nucleare si intende un tipo di nucleo fissile, cioè un nucleo che subisce fissione indotta da neutroni. Questi nuclidi possono essere, a seconda del tipo di reattore, 232Th, 233U, 235U, 238U e 239Pu, (o loro miscele). Fra questi, 233U, 235U, e 239Pu subiscono fissione ad opera di neutroni termici, mentre 232Th e 238U interagiscono efficientemente con neutroni molto veloci (> 1MeV). L'uranio naturale, reperibile in diverse miniere distribuite un po’ in tutti i continenti, contiene principalmente 238U (99,2745%) e solo uno 0,720% di 235U. L’isotopo 233 dell’uranio va invece prodotto a partire dal torio 232. Alcuni reattori usano uranio ‘arricchito’ nell’isotopo 235U. In altri casi si usa anche l'isotopo 238 che pur non essendo fissile è "fertile", cioè può produrre nuclidi fissili per reazione nucleare.

34. 2) Moderatore: In un reattore nucleare a fissione i neutroni che sono prodotti dal processo stesso ma sono inizialmente formati con grande energia cinetica, mentre per ottimizzare la resa devono essere rallentati, cioè termalizzati, per aumentarne la capacità di indurre la fissione. Il modo migliore per rallentare i neutroni consiste nel farli collidere con atomi d'idrogeno o di deuterio. Fra i moderatori più comuni, c’è proprio l’acqua deuterata, D2O, detta anche comunemente "acqua pesante". In alcuni casi, anche se meno efficace, si usa la grafite, data la sua economicità ed anche per la sua inerzia ai neutroni. Nei reattori autofertilizzanti, cioè in quelli dove si ottiene plutonio come prodotto riutilizzabile, non bisogna rallentare molto i neutroni al fine di rendere più efficace la reazione con 238U. 3) Refrigerante: la funzione del refrigerante è quella di trasportare l'energia prodotta fuori dal nocciolo fino al suo ciclo di trasformazione. Inoltre il refrigerante ha il compito importante di evitare la fusione dello stesso nocciolo che potrebbe avvenire a causa della gran quantità di calore rilasciato dai processi di fissione. Il refrigerante deve essere un fluido e può essere acqua (in alcuni reattori può essere la stessa acqua pesante del moderatore che viene fatta circolare), oppure altri liquidi, sia organici che inorganici. In certi casi si preferisce uno scambiatore in fase gassosa (molto usati CO2 e He), mentre in certi altri casi si utilizza il sodio allo stato fuso. La scelta di un refrigerante dipende esclusivamente dalle caratteristiche tecniche del particolare reattore considerato.

35. 4) Barre di controllo (assorbitori di neutroni): per mantenere sotto controllo la reazione a catena e quindi controllare la potenza sviluppata dal reattore o, anche, spegnerlo è necessario disporre di un materiale che sia un ottimo assorbitore di neutroni. Questo tipo di controllo si può ottenere, per esempio, inserendo o sfilando dal nocciolo delle barre di un assorbitore come per esempio boro o suoi composti (si usa spesso il carburo di boro) oppure cadmio o suoi composti o altri materiali con una elevata sezione d’urto di assorbimento di neutroni. RISCHI DEI REATTORI A FISSIONE Naturalmente un reattore a fissione può presentare diversi rischi nel suo funzionamento. Questi possono essere raggruppati in due grosse categorie: rischi termici e rischi dovuti alla produzione di scorie. - I cosiddetti rischi termici sono tutti quei problemi che possono sorgere dall'eccessiva potenza del reattore. Una potenza troppo alta sottopone a sollecitazioni eccessive i materiali di cui è costruito il reattore e può provocare perfino la fuoriuscita di materiale ad alta radioattività (come nel famoso incidente di Chernobyl del 1986).

36. - Rischi dovuti alla produzione di scorie: le scorie sono costituite sia da nuclidi prodotti di fissione sia da materiali presenti nel combustibile che, per reazione con i neutroni nel nocciolo si sono attivati, cioè si sono trasformati in nuclidi radioattivi. Di solito le scorie vengono separate in base alla loro radioattività, cioè in base alla durata media del loro periodo di "raffreddamento", e poi vengono riposte in depositi a "raffreddare". Nei reattori autofertilizzanti le scorie sono molto pericolose per la presenza di plutonio. Inoltre questi reattori presentano rischi molto più grandi degli altri a neutroni termici per il fatto che dopo un certo periodo di funzionamento il combustibile deve essere trattato opportunamente per estrarne il materiale fissile che si è formato. Questo comporta una serie di operazioni periodiche ad alta pericolosità, come rimozione del combustibile, suo trasporto, manipolazione in laboratori di estrazione, etc. che rendono i reattori autofertilizzanti ad altissima pericolosità. Occorre anche non sottovalutare, per questo tipo di reattori, l'alta pericolosità sociale dato che il plutonio, prodotto in grande quantità, può essere usato direttamente per scopi militari.

37. Problema delle scorie radioattive del combustibile esausto

39. Principali miniere di uranio nel mondo L'uranio è un elemento che si trova in natura, in basse concentrazioni, praticamente in tutte le rocce, in tutti i terreni e nelle acque. E’ più abbondante di altri elementi come il berillio, il cadmio, l'oro, il mercurio, l'argento, del tungsteno. Si trova in molti minerali, come lo pechblenda, il minerale di uranio più comune. I principali paesi estrattori di U sono riportati in figura. I costi del combustibile fissile stanno aumentando notevolmente (il prezzo dell’ossido U3O8 è variato da circa 20$ al chilo nel 2002 a 260$ nel 2007). Inoltre è impossibile stimare con precisione le riserve di uranio ancora estraibile, ma bisogna considerare che il necessario uranio-235 è molto raro. L'AIEA (Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica) ha stimato che i giacimenti di uranio attualmente conosciuti basteranno a soddisfare il fabbisogno fino al 2035 nel caso di una domanda media, e fino al 2026 nel caso di una ripresa della domanda elevata. Secondo altre stime, la quantità estraibile sarebbe molto maggiore, ma a costi molto più elevati. In ogni caso si prevede un esaurimento del combustibile fissile prima di quello fossile!

40. Arricchimento dell’uranio 235 L'uranio naturale è composto da una miscela di tre isotopi, 234U, 235U, e 238U, di cui 238U è il più abbondante (99,2745%), 235U ha una abbondanza naturale di circa 0,720%, mentre il 234U costituisce una percentuale trascurabile del totale (0.0055%). Tutti i tre isotopi sono radioattivi; quello dotato di tempo di dimezzamento più lungo è 238U (t1/2: 4,5x109 anni), seguono 235U (7x108 anni) e 234U (2,5x105 anni). Per ottenere un materiale fissile che sia adatto a scopi nucleari, cioè che emetta una quantità sufficiente di neutroni, è necessario aumentare la concentrazione dell'isotopo 235U rispetto al più comune e meno radioattivo 238U. La concentrazione di 235U deve passare dallo 0,71% al 3,2% per i reattori nucleari ad acqua bollente (BWR) e al 3,6% per quelli ad acqua pressurizzata (PWR). Il processo di concentrazione dell'uranio è un compito estremamente difficile: non è possibile separarli per via chimica, ma l'unico modo è consiste nello sfruttare la piccolissima (meno dell'1,5%) differenza di peso. Si fa reagire l'uranio metallico con fluoro ottenendo esafluorurodi uranio (UF6), un composto solido bianco, che sublima in fase gassosa al di sopra di 56,4 °C. Questo composto viene usato nei due più comuni processi di arricchimento, l'arricchimento per diffusione gassosa (utilizzata soprattutto negli USA) e quello per centrifugazione del gas (principalmente utilizzato in Europa). Sistema di centrifughe Camera per diffusione di UF6

42. CENNI SUI REATTORI A FUSIONE La difficoltà maggiore deriva dal fatto che per far avvenire la reazione i due nuclei reagenti devono avvicinarsi vincendo la forte repulsione coulombiana. Questo richiede una energia "di attivazione" di circa 104 eV. Un reattore nucleare a fusione dovrebbe essere un sistema in grado di gestire una reazione di fusione nucleare in modo controllato e con lo scopo di produrre energia elettrica. Gli unici impianti operativi a tutt’oggi sono impianti di ricerca in grado di sostenere la reazione di fusione nucleare per un tempo molto ridotto e quindi non sono utilizzabili per la produzione di elettricità. Da molti anni si ipotizzano e indagano varie tecniche per arrivare allo sfruttamento dell’energia da fusione nucleare. Le tecniche si differenziano l'una dall'altra proprio nel modo concepito per far avvicinare i nuclei reagenti e quindi innescare la reazione. La tecnica più studiata fino ad oggi impiega forti campi magnetici per confinare un plasma formato da nuclei di deuterio e trizio ad alta temperatura (NB il campo magnetico serve a confinare il plasma nel vuoto perché non esiste nessun materiale per costruire un contenitore in grado di resistere alle temperature necesserie). Per innescare la reazione la temperatura deve essere di circa 108 K, però a tutt'oggi non si è ancora riusciti a stabilizzare il plasma con una temperatura così alta per tempi sufficientemente lunghi da avere un autosostentamento (energetico) costante della reazione.

43. La reazione che si pensa di poter sfruttare è 2H + 3H 4He + n + 17,6 MeV I vantaggi della reazione di fusione nucleare sono legati al fatto che l’unica scoria è l’isotopo stabile dell’elio, che oltre a non essere radioattivo è anche un gas chimicamente inerte. Il peggior contaminante che potrebbe essere disperso accidentalmente nell'ambiente è il trizio, che però ha un tempo di dimezzamento di 12,3 anni e cioè molto minore di quello di alcuni radionuclidi prodotti dalle centrali a fissione che possono dimezzarsi in migliaia di anni. Inoltre, dal punto di vista della sicurezza le centrali a fusione con confinamento magnetico non hanno nessuna possibilità di restare attivi in assenza del contenimento magnetico del plasma. Questo impedisce i pericoli tipici delle centrali a fissione, in cui è possibile avere una reazione a catena che perdura nel tempo anche a reattore distrutto come nel caso dell’incidente di Chernobyl. Un problema che resta (anche quando si dovessero trovare le soluzione tecnologiche) riguarda la scarsità in natura del trizio che infatti andrebbe prodotto nella centrale stessa sfruttando il neutrone che si genera nella reazione vista 2H + 3H 4He + n + 17,6 MeV per indurre la reazione 6Li + n 4He + 3H

45. CENNI SUGLI ORDIGNI NUCLEARI Le cosiddette bombe atomiche (andrebbero chiamate nucleari) si basano sui processi di fissione e fusione nucleari. Le bombe che sfruttano le reazioni di fissione sono denominate bombe A. Le bombe H (dette anche bombe a idrogeno o termonucleari) si basano sul processo di fusione nucleare. Entrambi i tipi sono in grado di sviluppare energie molto elevate mediante la trasformazione di quantità molto piccole di materia. La bomba atomica tradizionale è basata sulla fissione di 235U indotta da neutroni; come già visto, tale reazione, se avviene in maniera non controllata, è una reazione a catena che si autosostiene. Ciò accade quando la massa dell'uranio raggiunge un valore ben determinato, detto massa critica. L'esplosione di una bomba atomica di questo tipo, con la fissione completa di un kg di uranio, sviluppa una quantità di energia pari a quella prodotta dalla combustione di 2450 tonnellate di carbone. L'innesco della reazione a catena da parte di neutroni avviene portando allo stato critico la massa di uranio, che subisce la fissione nell'istante dell'esplosione. Prima dell'innesco la massa critica è divisa in due o più parti non critiche che vengono riavvicinate al momento voluto mediante una carica di esplosivo convenzionale all'interno dell'involucro della bomba atomica.

46. Durante l'esplosione di innesco l'involucro esterno della bomba non si deve rompere altrimenti il materiale fissile si disperderebbe prima di costituire una massa critica. In realtà durante l'esplosione di una bomba atomica, solo una piccola parte della massa critica subisce realmente la fissione, ma comunque si libera un'enorme quantità di energia. Per misurare la potenza delle bombe atomiche si usa come unità di misura il megaton che è definito come il potenziale esplosivo di 1 milione di tonnellate di trinitrotoluene (TNT). Durante l'esplosione, i prodotti della fissione vengono espulsi violentemente e sono quindi caratterizzati da una energia cinetica molto grande. Tale energia cinetica viene rilasciata negli urti con le molecole che compongono l'atmosfera. A questo punto l'energia cinetica si trasforma in energia termica provocando un innalzamento di temperatura oltre 10 milioni di gradi. Il fenomeno è accompagnato da emissione di luce accecante (visibile a centinaia di chilometri), e propagazione di una violentissima onda d'urto nell'atmosfera. Nella bomba A, il carattere esplosivo della reazione è determinato dal tempo brevissimo in cui essa avviene, dell'ordine del milionesimo di secondo. Anziché uranio 235 può essere impiegato anche il plutonio, elemento che si ottiene nelle pile atomiche bombardando con neutroni l'isotopo 238 dell'uranio. Per quanto riguarda la potenza dell'esplosione, il rendimento reale è sempre inferiore al teorico e dipende dalla concentrazione del materiale fissile della carica.

47. La bomba H produce energia per effetto di un processo di fusione nucleare. La reazione più utilizzata è quella che porta alla sintesi di un nucleo di elio mediante la fusione nucleare di deuterio o il trizio. Questo tipo di bomba ha una potenza, a parità di massa, sette volte superiore a quella sviluppata da una bomba a fissione. Nella fusione termonucleare non esiste alcun problema di massa critica, e quindi non c'è limite alla quantità di sostanze reagenti. La potenza ottenibile è pressoché illimitata. Per innescare una reazione di fusione è necessario raggiungere una temperatura di circa 200 milioni di gradi, cosa che si ottiene facendo esplodere al centro della massa una bomba del tipo a fissione. Esiste anche un altro tipo di ordigno nucleare la bomba a neutroni o bomba N. Lo scopo di questo ordigno è diverso dai precedenti: si tratta di un’arma tattica che permette di eliminare l'avversario producendo solo limitate devastazioni del territorio, e riducendo l'inquinamento radioattivo. Si tratta di una bomba termo-nucleare di modesta potenza che canalizza l'energia sviluppata nella reazione nucleare principalmente nella produzione di neutroni veloci, minimizzando quindi gli effetti di scoppio e di calore. La bomba N è una bomba a fusione di piccole dimensioni e di limitata potenza, inferiore a un kiloton, ma dotata di opportuni accorgimenti tecnici che consentono una notevole diffusione di neutroni

48. entro un raggio molto superiore a quello distruttivo dell'ordigno. I neutroni possono penetrare attraverso notevoli spessori di materia e quindi per un grande raggio di azione essi possono uccidere tutti gli esseri viventi senza distruggere costruzioni e materiali. Sono quattro i fattori distruttivi dovuti all'esplosione di un ordigno nucleare: 1) onda di calore (fino a 300 milioni di gradi in corrispondenza del punto di detonazione); 2) onda d'urto; 3) emissione di radiazioni (insieme all'esplosione e tramite successivo fall-out radioattivo); 4) effetto EMP (Electro Magnetic Pulse), scoperto solo a partire da alcuni test nucleari dei primi anni sessanta. Le esplosioni nucleari possono essere a loro volta classificate in cinque tipi: a) aero-alte: esplosione nella stratosfera, con forte rilascio di particelle  e  e scarso rilascio di raggi , che però vengono fermate dall'atmosfera; nessun danno agli esseri umani ma viene rilasciato un gigantesco impulso elettromagnetico (EMP, Electro Magnetic Pulse) che distrugge qualunque apparecchiatura elettronica non protetta da adeguata schermatura; inoltre vengono azzerate le comunicazioni radio per un certo periodo a causa dei disturbi; b) aero-basse: esplosione nell'atmosfera a poche centinaia di metri di altezza, con forte rilascio di particelle  e  e scarso rilascio di raggi , letali nel raggio di diversi chilometri in un tempo breve. Scarso fall-out; c) superficiali: esplosione a terra, con forte rilascio di raggi , e scarso rilascio di particelle  e  ; elevata ricaduta radioattiva dovuta alle polveri sollevate, pesantemente contaminate. Danni anche di tipo sismico alle cose, ma minori effetti immediati sulle persone; d) sotterranee: nessun rilascio di particelle, che vengono schermate dal terreno, e di onde elettromagnetiche. Forte onda sismica, proporzionale alla potenza dell'arma. È usata principalmente nei test per le armi nucleari; e) sottomarine.

49. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE INTERAZIONE TRA RADIAZIONE NUCLEARE E MATERIA Da qui in avanti intenderemo con il termine radiazione nucleare ogni tipo di particella che abbia una energia cinetica > 100 eV e che sia stata generata da un decadimento o reazione nucleare (siano essi spontanei o indotti). La conoscenza dei meccanismi di interazione fra radiazione nucleare e materia ci fornisce gli strumenti per caratterizzarne la pericolosità e per difenderci da essa. Le energie tipiche del legame chimico sono comprese fra 1-5 eV, mentre l’energia necessaria a ionizzare una specie (atomica o molecolare) è solitamente 15 eV. Di conseguenza, poiché l’energia messa in gioco quando la materia è esposta alla radiazione nucleare è così alta da indurre facilmente ionizzazione, la radiazione nucleare è detta anche radiazione ionizzante.

50. Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE • Da un punto di vista generale, possiamo dire che il passaggio della radiazione nucleare ad alto contenuto energetico attraverso la materia comporta un trasferimento di energia agli atomi/molecole di cui essa è composta. Il trasferimento continua fino a che si raggiunge l’equilibrio termico, cioè fintanto che la particella non ha perso il suo surplus energetico cedendolo al mezzo interagente. • Nello specifico, però, ogni tipo di radiazione induce fenomeni diversi, che andremo ora ad esaminare • Si usa distinguere i fenomeni che derivano dalla interazione della radiazione nucleare con la materia in due gruppi: • processi che subiscono le particelle nucleari mentre cedono la propria energia (assorbimento della radiazione); • processi ulteriori subiti dal materiale che ha assorbito la radiazione (chimica indotta dalle radiazioni).