Atomi ed isotopi

Modello atomico classico

 Gli atomi che compongono il nostro universo sono costituiti da tre particelle: protoni, neutroni, elettroni, che sono state ritenute per molto tempo come i costituenti ultimi della materia. Le prime due formano il nucleo atomico, sono perciò dette nucleoni e richiamano attorno a sé un corteggio di elettroni, solitamente in numero uguale a quello dei protoni, completando così la struttura elettricamente neutra di ogni atomo. Le tre particelle si caratterizzano per la diversa massa e carica elettrica. Il protone ed il neutrone hanno massa a riposo molto simile, e cioè:

Se si introduce l’unità di massa atomica, che vale:

allora le masse dei due nucleoni diventano rispettivamente:

Circa uguali nella massa, protone e neutrone sono anche simili nelle dimensioni. Utilizzando il fermi come unità di misura (1 fm= m) e approssimando la loro forma a quella di una sfera, essi hanno un diametro di circa 2,4 fm. L’elettrone ha massa a riposo molto più piccola di quella dei nucleoni (tantoché a volte può essere trascurata), essa vale:

Il protone e l’elettrone sono dotati di carica elettrica uguale e contraria, positiva nel protone, negativa nell’elettrone, di valore assoluto:

Questo valore rappresenta un quanto di carica elettrica, ed ogni altra carica è quindi un multiplo di essa. Il neutrone, come suggerito dal nome, è elettricamente neutro. Il numero di protoni presenti nel nucleo si indica con Z ed è detto numero atomico. Il numero di neutroni N che assieme a quello dei protoni determina la “massa” del nucleo, sommato al numero atomico definisce il numero di massa A, quindi A=Z+N.

Si dicono isotopi (o nuclidi) gli atomi aventi stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di massa (A).

Un generico nuclide dell’ elemento X si indica come:

In realtà il pedice ed il simbolo dell’elemento forniscono la medesima informazione, cioè il numero dei protoni contenuti nel nucleo. L’indicazione del numero di massa è invece sempre necessaria in fisica nucleare per distinguere, di ogni elemento, i diversi isotopi. Risulta anche importante sottolineare che è solo il numero atomico Z che caratterizza la natura chimica di ogni atomo, quindi ogni elemento è chimicamente indistinguibile dai suoi isotopi. Questa proprietà viene sfruttata in vario modo e per gli scopi più diversi: in molte ricerche, ad esempio, si unisce ad un elemento stabile una piccola quantità di isotopo radioattivo, detto tracciante, che permette di seguire il destino dell’elemento in processi chimici o biologici poiché è facile localizzare la radioattività che il tracciante emette. Anche nello studio degli elementi radioattivi ci si è avvalsi di questa caratteristica: talvolta si è in presenza di quantità minime di prodotti radioattivi, la cui separazione risulta difficile; aggiungendo un certo quantitativo di isotopo stabile del medesimo elemento si può avere sostanza sufficiente per effettuare la separazione dell’elemento il quale, naturalmente, trascinerà con sé una parte dei nuclidi radioattivi.

AA