Chimica nucleare

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

La chimica nucleare è un settore della chimica che tratta le reazioni che cambiano la natura del nucleo. Per reazione chimica si intende la modificazione dei legami che tengono uniti tra loro gli atomi di molecole diverse, che reagiscono tra loro. Il fenomeno chimico-fisico studiato dalla chimica nucleare è la radioattività e la grandezza fisica corrispondente nel Sistema Internazionale è l'attività (unità di misura il becquerel, Bq; 1 Bq = 1 s^-1 = 1 Hz = 1 disintegrazione nucleare al secondo).

Nelle reazioni nucleari, invece, non cambiano solo le molecole e i legami che le formano, ma si modificano gli stessi atomi ed i loro nuclei. Mentre la fisica nucleare si occupa più particolarmente degli aspetti energetici e delle particelle implicate in una trasformazione nucleare, la chimica nucleare si concentra piuttosto sulla sintesi di nuovi elementi, sullo studio delle proprietà dei nuclidi radioattivi (specie dotate di numero atomico Z e numero di massa A), denominati isotopi qualora appartenenti allo stesso elemento chimico, e su tutte le possibili applicazioni teorico-pratiche del fenomeno della radioattività e della interazione nucleo atomico-onde elettromagnetiche (ad esempio NMR, spettroscopia Mössbauer, MOSPEC e spettroscopia di annichilazione di positroni (PAS)). La radiochimica, in particolare, è la principale branca applicata della chimica nucleare: essa si occupa, in senso lato, di reazioni chimiche che implicano l'uso di sostanze radioattive. La chimica radiofarmaceutica si occupa della sintesi e della caratterizzazione di composti radioattivi da utilizzare in radiodiagnostica e radioterapia metabolica (medicina nucleare). La chimica delle radiazioni studia le reazioni chimiche indotte da radiazioni ionizzanti. La chimica degli atomi esotici studia le proprietà e le applicazioni di quasi-atomi come il positronio, il muonio, gli antiatomi. La chimica degli atomi transfermici ed ultrapesanti studia le proprietà chimiche di elementi (artificiali) di numero atomico da 101 a 118.

Un atomo è costituito da un nucleo interno composto da protoni e neutroni e da un certo numero di elettroni (pari a quello dei protoni, se l'atomo è neutro). Una reazione chimica nucleare determina una variazione nel numero di nucleoni, cioè di protoni e neutroni (che compongono il nucleo), tra le specie che ne prendono parte. Inoltre vengono emesse radiazioni ionizzanti come i raggi x e i raggi gamma.

Nelle reazioni nucleari non vige la legge di conservazione di massa di Lavoisier (tipica invece delle reazioni chimiche) mentre vale la legge di conservazione dell'energia e la legge di conservazione della carica elettrica.

Particolari reazioni nucleari sono i decadimenti radioattivi, la fissione nucleare, la fusione nucleare, e il bombardamento atomico. L'energia solare è un classico esempio della potente energia nucleare sviluppata da un tale fenomeno. Alcune reazioni nucleari hanno permesso di indagare il nucleo più intimamente (hanno consentito, per esempio, l'individuazione dei protoni e dei neutroni), oppure di realizzare artificialmente atomi non presenti in natura. Piccole quantità di sostanze radioattive vengono oggigiorno ampiamente utilizzate in elettronica per vari scopi.

I reattori nucleari a fissione sfruttano attualmente la fissione del nucleo per produrre energia elettrica, attualmente si sta lavorando alla ingegnerizzazione a livello industriale di reattori per fusione nucleare che permetterebbero in futuro di abbinare ai vantaggi dell'energia nucleare un livello di sicurezza operativa altamente elevato (si abbatterà l'emissione di radiazioni). Purtroppo c'è da dire che l'utilizzo di tale energia per fini bellici rischia potenzialmente di eliminare il genere umano (vedi armi nucleari).

[modifica] Nucleosintesi degli elementi

Per approfondire, vedi la voce nucleosintesi.

Le moderne teorie scientifiche affermano che poche ore dopo il Big Bang la temperatura diminuì di tanto da permettere la condensizione delle nubi di idrogeno ed elio con la formazione delle prime stelle. L'influsso della gravità avrebbe creato nel loro interno valori di temperatura e densità talmente elevate da consentire processi di fusione nucleare. In particolare, si è notato che quando nuclei leggeri si fondono formando elementi con numero atomico minore o uguale a 26, numero atomico corrispondente al ferro e che identifica il massimo livello di stabilità energetica di un nucleo, si libera energia: tale processo viene definito combustione nucleare e gli elementi formatisi costituiscono le "ceneri" di combustione (combustione nucleare da non confondere con la combustione chimica).

Il ciclo dell'elio consiste in un ciclo di combustione nucleare che sfrutta nuclei ⁴₂He (particelle α). Ad esempio, l'isotopo del carbonio ¹²₁₆C si ottiene in seguito a rezioni del tipo

⁴₂He + ⁴₂He → ⁸₄Be + γ

⁸₄Be + α → ¹²₆C + γ

Elementi molto leggeri quali litio, berillio e boro non sono prodotti terminali stabili del ciclo dell'elio. Si pensa che piuttosto essi siano prodotti in seguito a processi di spallazione per urto con particelle di alta energia.

La nucleosintesi degli elementi più pesanti implica invece una varietà di processi in cui entrano in gioco catture di neutroni e decadimenti. Ad esempio, neutroni derivanti da reazioni nucleari di elementi più leggeri, come in

²³₁₀Ne + α → ²⁶₁₂Mg + ¹₀n

possono generare una serie di reazioni che, ad esempio, possono scaturire nella formazione del nucleo figlio ⁹⁹₄₃Tc:

⁹⁸₄₂Mo + ¹₀n → ⁹⁹₄₂Mo + γ

⁹⁹₄₂Mo → ⁹⁹₄₃Tc + ⁰_-1β + ν (neutrino)

Una supernova rappresenta una fonte naturale di intenso flusso di neutroni.

Sfruttando potenti acceleratori di particelle e reazioni di bombardamento (vedi bombardamento atomico) indotte artificialmente, è possibile effettuare la nucleosintesi artificiale ottenendo nuovi isotopi non presenti in natura, isotopi aventi ciascuno un diverso livello di stabilità, e sintetizzare nuovi elementi la cui esistenza viene dapprima postulata da studi teorici.

[modifica] Metodiche radioanalitiche

I metodi radiochimici d'analisi sono basati sulla misura della radioattività prodotta dall'analita o per aggiunta di piccole quantità di reattivi marcati o a seguito di radioattività indotta. In questo modo è possibile rilevare quantità di analita molto basse, spesso non rilevabili con metodiche analitiche più comuni.

[modifica] Rivelatori radioanalitici

I rivelatori radioanalitici permettono di ricavare informazioni analitiche sfruttando la quantità di radiazione che viene loro convogliata. Secondo la loro costituzione e il principio fisico sfruttato, si dividono in:

• Rivelatori a ionizzazione: sfruttano la ionizzazione di un gas a bassa pressione, gas contenuto in una camera cilindrica e posto sotto l'azione di un campo elettrico, che genera una corrente elettrica proporzionale alla radiazione ricevuta. I comuni contatore Geiger e contatore Müller sfruttano tale principio.

• Rivelatori a scintillazione: sono i rivelatori prediletti per i raggi γ, per i quali il Geiger è poco sensibile. Il fascio radioattivo viene convogliato su un cristallo tipicamente di ioduro di sodio drogato con tallio, NaI(Tl): in questo modo si ha emissione di radiazione elettromagnetica nel visibile che, catturata da un fotomoltiplicatore, genera una corrente elettrica.

• Rivelatori a semiconduttori: sfruttano un cristallo di germanio drogato con litio e interposto tra altri due cristalli di germanio, uno di tipo p e l'altro di tipo n. Sono indicati per analisi in presenza di matrici complesse e necessitano di essere portati alla temperatura dell'azoto liquido.

[modifica] Analisi radiochimica

Le principali modalità analitiche sono l'attivazione neutronica, la diluizione isotopica e la titolazione radiochimica.

• Metodo per attivazione neutronica (NAA): la specie in esame viene sottoposta a bombardamento di neutroni e diviene radioattiva. La misura di tale radioattività ci permette di risalire alla quantità di sostanza.

• Metodo della diluizione isotopica: alla sostanza in esame di peso X si aggiunge una quantità A della medesima sostanza però radioattiva, il miscuglio avrà quindi una radioattività R_X+A. Se P è la quantità di sostanza ottenuta a seguito di aggiunta di poco reattivo precipitante, alla quale è associata la (radio)attività R_P, essendo le attività misurate funzione dell'aggiunta iniziale, è verificata l'eguaglianza K= (X+A)/P = R_X+A/R_P dalla quale si ricava X. Questa metodica è utilizzata in presenza di matrice con proprietà chimiche simili all'analita.

• Titolazione radiochimica: viene eseguita una normale titolazione che consenta una rapida separazione di fasi, come avviene nel caso delle reazioni di precipitazione. Viene misurata la radioattività R della soluzione in funzione del volume V di titolante marcato aggiunto e costruito un grafico R/V. All'inizio la radioattività della soluzione e pressoché nulla e costante, oltre il punto di equivalenza si ha un brusco aumento di R in funzione di V in quanto il titolante radioattivo, non più precipitato, aumenta man mano la sua concentrazione in soluzione.

[modifica] Campi di applicazione della radioanalisi

• Analisi di tracce di elementi in acque naturali

• Analisi di tracce di elementi nel suolo e terreni

• Analisi petrografiche e mineralogiche

• Analisi di liquidi biologici e varie determinazioni biochimiche

[modifica] Altre applicazioni della radiochimica

Immagine di una caratteristica strumentazione PET, indagine diagnostica che sfrutta l'iniezione endovena di un mezzo radioattivo.

Il decadimento radioattivo segue la cinetica di ordine uno.

• Datazione delle rocce: Uno dei metodi principali sfrutta la radioattività naturale generata dall'isotopo dell'uranio ²³⁸₉₂U. L'equazione totale del decadimento, con emivita 4,5 miliardi di anni, è ²³⁸₉₂U → ²⁰⁶₈₂Pb + 8 ⁴₂He + 6 ⁰_-1β.

• Età dei reperti organici: si misura la radioattività dell'isotopo ¹⁴₆C, prodotto per reazione dei neutroni provenienti dalla radiazione cosmica con azoto atmosferico, inglobato per scambio isotopico nel biossido di carbonio (IUPAC) presente nell'atmosfera. ¹⁴₆C decade emettendo particelle β con t_1/2= 5 730 anni. Gli organismi viventi vegetali assorbono biossido di carbonio (anidride carbonica) radioattivo tramite la fotosintesi, gli animali e quindi l'uomo attraverso la catena alimentare e marginalmente mediante la respirazione, mentre i giacimenti petroliferi e carboniferi non contengono più quantità significative di ¹⁴₆C, dato il lungo tempo trascorso dalla loro formazione.

• Studio del metabolismo di organismi vegetali e animali, mediante la tecnica dei radiotraccianti.

• In medicina nucleare, per la radioterapia radiante (es. cobalto-60 per vari tumori solidi), la radioterapia metabolica di tumori ed altre patologie (ioduro di sodio marcato con ¹³¹I per i tumori tiroidei) e radiodiagnostica (mezzi di contrasto o radiofarmaci diagnostici sistemici o per recettori specifici, es: marcati con ¹²³I per la SPECT o ¹⁸F per la PET).

• Studio delle reazioni e dell'equilibrio chimico, cinetica chimica e meccanismi di reazione.

• Studio di disinfettanti, insetticidi, anticrittogamici e loro meccanismo d'azione.

[modifica] Collegamenti esterni

• Gruppo Interdivisionale di Radiochimica della Società Chimica Italiana
• (EN) Division of Nuclear and Radiochemistry of EuCheMS
• (EN) International Nuclear Chemistry Society (INCS)
• (EN) Radiochemistry Society
• (EN) Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry
• (EN) Radiochemistry (Radiokhimiya)
• (EN) Nozioni fondamentali di chimica delle radiazioni (PDF)