NUCLEO ATOMICO

Struttura dell’atomo

Gli atomi sono composti da:

–    un nucleo centrale contenente la quasi totalità della loro massa ripartita fra neutroni e protoni che hanno carica positiva;

–    una nube di elettroni carichi negativamente che circonda il nucleo;

Il numero di elettroni carichi negativamente che ruotano attorno al nucleo dell'atomo è pari al numero di protoni carichi positivamente dentro il nucleo così che gli atomi in natura sono elettricamente neutri.

Il numero di protoni presenti nel nucleo detto numero atomico Z, determina le caratteristiche chimico fisiche dell’atomo;

Gli atomi con uguale Z si comportano allo stesso modo e sono classificati come elemento.

Gli elementi sono ordinati in una tavola periodica. Finora sono stati individuati 115 elementi;

Struttura del nucleo

I costituenti del nucleo sono i nucleoni che si presentano in 2 forme distinte:

·         I protoni individuati nel 1906 da Thomson. Tali particelle sono particelle stabili di carica elettrica positiva unitaria ed hanno ciascuno una massa pari a 1,6727 per 10^{-27 kg}

·         Ed i neutroni scoperti nel 1932 da Chadwick. I neutroni sono particelle instabili prive di carica elettrica la cui massa è pari a 1,6749 per 10^{-27 kg}

Il numero ottenuto sommando protoni e neutroni, si chiama numero di massa e si indica con A;

Gli atomi di uno stesso elemento che hanno uguale Z, ma differiscono per il numero di neutroni contenuti nel nucleo, sono detti isotopi.

L’idrogeno che ha un nucleo contenente solo un protone, quindi Z = A = 1, esso ha 2 isotopi:

– il Deuterio che ha un protone e un neutrone nel nucleo, quindi Z ancora uguale 1 ed A uguale a 2

– il Trizio il cui nucleo è formato da un protone e 2 neutroni, Z è ancora uguale a 1 ed A è uguale a 3

Due o più nuclei aventi uguale numero di massa A, ma diverso Z si dicono isobari. Sono isobari l’elio 6, il litio 6 ed il Berillio 6, ognuno con 6 nucleoni.

I nuclei aventi uguale numero di neutroni ma diverso numero di protoni si dicono isotoni. Sono isotoni il Carbonio 14, l’Azoto 15 e l’Ossigeno 16 che hanno 8 neutroni ciascuno.

Può essere interessante effettuare un confronto fra le dimensioni

L’atomo ha un diametro dell’ordine di 10^{-10 metri}

Il nucleo ha un diametro dell’ordine di 10^-14

Il nucleone ha un diametro dell’ordine di 10^-15

Se il nucleone fosse un pallone da calcio a 5 con raggio di circa 9.5 centimetri e fosse messo nel cerchio di centrocampo di un campo da calcio a 5, il limite del nucleo sarebbe a circa 1 metro di distanza, mentre l’orbita elettronica sarebbe a circa 10 chilometri…

Il raggio del nucleo cresce con il numero di massa A, supponendo che il nucleo abbia la forma di una sfera perfetta, ciò significa che il volume di un nucleo è proporzionale al numero di massa A.

Ma questo fa si che la densità dei nuclei nella parte centrale sia circa uguale in tutti gli elementi.

Questa densità è talmente elevata che se avessimo 1 cubo di 1 centimetro di lato di pari densità, questo peserebbe circa 200 miliardi di chilogrammi.

Forze nucleari

Per la legge di Coulomb, fra 2 cariche elettriche si stabilisce una forza proporzionale al prodotto delle cariche coinvolte ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Tale forza è attrattiva per cariche di segno opposto e repulsiva per cariche dello stesso segno.

I protoni interni al nucleo, il cui raggio è circa 10^{-15 metri, avendo tutti carica positiva esercitano una forza elettromagnetica repulsiva pari a circa 14 Newton;}

Protoni ed elettroni hanno carica Q₁= Q₂= 1.6 per 10^-19 Coulomb

Mentre epsilon è uguale a 8.9 per 10^-12 Coulomb al quadrato per Newton per metri quadrati

Con un po’ di rapidi calcoli si arriva a vedere che la forza repulsiva che i protoni esercitano fra di loro è 10² volte più intensa di quella attrattiva che lega gli elettroni al nucleo.

Questa forza se non bilanciata da forze di tipo attrattivo, renderebbe impossibile l’esistenza del nucleo;

Esiste fra i nucleoni una forza attrattiva detta “forza forte” che:

• Non dipende dalla carica elettrica;
• Non è percepita da alcune particelle (es. elettroni);
• A distanze brevi è molto più intensa della forza di Coulomb;
• A distanze atomiche (10^{-12 m) è trascurabile;}

Unità di misura della massa

Il chilogrammo viste le masse in gioco è un’unità di misura molto grande; su scala nucleare esistono unità di misura per la massa alternative al chilogrammo una delle quali è l’unità di massa atomica pari a un dodicesimo della massa del Carbonio 12 ed indicata con uma.

1 uma = 1,66056 · 10^{-27 kg}

Utilizzando l’equivalenza fra massa ed energia è pensabile esprimere la massa in unità di misura dell’energia diviso c². Da E = mc², si ottiene che m = E/c²

L’unità di misura dell’energia per il Sistema Internazionale è il Joule, ma anch’esso è molto grande quindi si introduce l’elettronvolt che è la quantità di energia acquisita da un elettrone che si muove all’interno di una differenza di potenziale  pari ad 1 Volt.

1 eV = 1,602 · 10^-19 J

Quindi le masse delle particelle più note secondo le nuove unità di misura saranno pari a:

–m_p = 1,00783 uma = 1,6727·10^{-27 kg = 939,28 MeV}/c²

–m_n = 1,00867 uma = 1,6749·10^{-27 kg = 939,57 MeV}/c²

–m_e = 5,486·10^-4 uma = 9,11·10^{-31 kg = 0,511 MeV}/c²