Chimia nucleară – Structura și stabilitatea nucleară

Acest capitol va introduce tema chimiei nucleare, care a început odată cu descoperirea radioactivității în 1896 de către fizicianul francez Antoine Becquerel și a devenit din ce în ce mai importantă în cursul secolelor XX și XXI, oferind baza pentru diferite tehnologii legate de energie, medicină, geologie și multe alte domenii.

(Chimia nucleară oferă baza pentru multe metode de diagnostic și terapeutice utile în medicină, cum ar fi aceste scanări cu tomografie cu emisie de pozitroni (PET). Scanarea PET/tomografie computerizată din stânga arată activitatea musculară. Scanările creierului din centru arată diferențe chimice în semnalizarea dopaminei în creierul dependenților și al celor care nu sunt dependenți. Imaginile din dreapta arată o aplicare oncologică a scanărilor PET pentru a identifica metastaza ganglionilor limfatici. Reacțiile chimice pe care le-am luat în considerare în capitolele precedente implică modificări în structura electronică a speciilor implicate, adică aranjarea electronilor în jurul atomilor, ionilor sau moleculelor. Structura nucleară, numărul de protoni și neutroni din nucleele atomilor implicați, rămâne neschimbată în timpul reacțiilor chimice.)

Chimia nucleară este studiul reacțiilor care implică modificări ale structurii nucleare. Capitolul despre atomi, molecule și ioni a introdus ideea de bază a structurii nucleare, că nucleul unui atom este compus din protoni și, cu excepția lui ¹₁H, neutroni. Amintiți-vă că numărul de protoni din nucleu se numește numărul atomic (Z) al elementului, iar suma numărului de protoni și numărul de neutroni este numărul de masă (A). Atomii cu același număr atomic, dar cu numere de masă diferite sunt izotopi ai aceluiași element. Când ne referim la un singur tip de nucleu, folosim adesea termenul nuclid și îl identificăm prin notația ^A_ZX, unde X este simbolul elementului, A este numărul de masă și Z este numărul atomic (de exemplu, ¹⁴₆C). Adesea, un nuclid este referit prin numele elementului urmat de o cratimă și numărul de masă. De exemplu, ¹⁴₆C) se numește „carbon-14”.

Protonii și neutronii, numiți colectiv nucleoni, sunt strâns împreună într-un nucleu. Cu o rază de aproximativ 10⁻¹⁵ metri, un nucleu este destul de mic în comparație cu raza întregului atom, care este de aproximativ 10⁻¹⁰ metri. Nucleele sunt extrem de dense în comparație cu materia în vrac, având o medie de 1,8 × 10¹⁴ grame pe centimetru cub. De exemplu, apa are o densitate de 1 gram pe centimetru cub, iar iridiul, unul dintre cele mai dense elemente cunoscute, are o densitate de 22,6 g/cm³. Dacă densitatea pământului ar fi egală cu densitatea nucleară medie, raza pământului ar fi de numai aproximativ 200 de metri (raza reală a pământului este de aproximativ 6,4 × 10⁶ metri, de 30.000 de ori mai mare). Exemplul 21.1 demonstrează cât de mari pot fi densitățile nucleare în lumea naturală.

Exemplu Densitatea unei stele neutronice Stelele neutronice se formează atunci când nucleul unei stele foarte masive suferă colaps gravitațional, determinând straturile exterioare ale stelei să explodeze într-o supernova. Compuse aproape în totalitate din neutroni, sunt cele mai dense stele cunoscute din univers, cu densități comparabile cu densitatea medie a unui nucleu atomic. O stea neutronică dintr-o galaxie îndepărtată are o masă egală cu 2,4 mase solare (1 masă solară = M☉ = masa soarelui = 1,99 × 1030 kg) și un diametru de 26 km. (a) Care este densitatea acestei stele neutronice? (b) Cum se compară densitatea acestei stele neutronice cu densitatea unui nucleu de uraniu, care are un diametru de aproximativ 15 fm (1 fm = 10–15 m)? Soluţie Putem trata atât steaua neutronică, cât și nucleul U-235 ca sfere. Atunci densitatea pentru ambele este dată de: d = m/V cu V = 4/3 πr3 (a) Raza stelei neutronice este de 12 × 26 km = 12 × 2,6×104 m = 1,3 × 104 m, deci densitatea stelei neutronice este: d = m/V = m/4/3 πr3 =2,4(1,99 × 1030 kg)/4/3 π(1,3 × 104 m)3 = 5,2 × 1017 kg/m3 (b) Raza nucleului U-235 este 12 × 15 × 10−15 m = 7,5 × 10−15 m , deci densitatea nucleului U-235 este: d = m/V = m/4/3 πr3 = 235 uam(1,66 × 10−27 kg/1 amu)/4/3 π(7,5 × 10−15 m)3 = 2,2 × 1017 kg/m3 Aceste valori sunt destul de asemănătoare (același ordin de mărime), dar steaua neutronică este de mai mult de două ori mai densă decât nucleul U-235. Exercițiu Aflați densitatea unei stele neutronice cu o masă de 1,97 mase solare și un diametru de 13 km și comparați-o cu densitatea unui nucleu de hidrogen, care are un diametru de 1,75 fm (1 fm = 1 × 10–15 m) . Răspuns: Densitatea stelei neutronice este de 3,4 × 1018 kg/m3. Densitatea unui nucleu de hidrogen este de 6,0 × 1017 kg/m3. Steaua neutronică este de 5,7 ori mai densă decât nucleul de hidrogen.

Pentru a menține împreună protonii încărcați pozitiv în volumul foarte mic al unui nucleu este nevoie de forțe atractive foarte puternice, deoarece protonii încărcați pozitiv se resping reciproc puternic la distanțe atât de mici. Forța de atracție care ține nucleul împreună este forța nucleară puternică. (Forța puternică este una dintre cele patru forțe fundamentale despre care se știe că există. Celelalte sunt forța electromagnetică, forța gravitațională și forța nucleară slabă.) Această forță acționează între protoni, între neutroni și între protoni și neutroni. Este foarte diferită de forța electrostatică, care ține electronii încărcați negativ în jurul unui nucleu încărcat pozitiv (atracția dintre sarcini opuse). Pe distanțe mai mici de 10^-15 metri și în interiorul nucleului, forța nucleară puternică este mult mai puternică decât repulsiile electrostatice între protoni; pe distanțe mai mari și în afara nucleului este în esență inexistentă.

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2023 MultiMedia Publishing