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 lattività (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 (caratterizzati dal numero atomico Z e numero di massa A), denominati isotopi o isomeri (isotopi uguali che differiscono solamente per il diverso stato eccitato) qualora appartenenti allo stesso elemento chimico (oppure isobari, isotoni, e isodiaferi in altri casi), e su tutte le possibili applicazioni teorico-pratiche del fenomeno della radioattività e a particolari interazioni energetiche del nucleo atomico (ad esempio NMR, spettroscopia Mössbauer 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 e 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 e calore, ma ne è anche auspicato l'utilizzo per la produzione di idrogeno o idricità (hydricity). 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).
Storia
Dopo la scoperta dei raggi X da parte di Wilhelm Röntgen, molti scienziati cominciarono a lavorare sulle radiazioni ionizzanti. Uno di questi fu Henri Becquerel, che studiò la relazione tra la fosforescenza e l'impressionamento delle lastre fotografiche. Quando Becquerel (lavorando in Francia) scoprì che, senza nessuna fonte di energia esterna presente, l'uranio era in grado di generare raggi che potevano impressionare una lastra fotografica, fu scoperta la radioattività. Marie Curie (a Parigi) e suo marito Pierre Curie isolarono due nuovi elementi radioattivi da minerali di uranio. Usarono metodi radiometrici per identificare la quantità di radiazione presente dopo ciascuna separazione chimica; essi separarono l'uranio minerale in ciascuno dei differenti elementi chimici allora noti, e misurarono la radioattività di ciascuna frazione ottenuta. Tentarono quindi di separare ulteriormente queste frazioni radioattive, per isolare una frazione più piccola con una elevata attività specifica (radioattività per massa unitaria). In questo modo, isolarono il polonio e il radio. Verso il 1901 fu notato che elevate dosi di radiazione erano in grado di causare danni agli esseri umani: Becquerel trasportò con sé un campione di radio nella tasca e a causa della elevata dose di radiazione localizzata a cui fu esposto subì una ustione da radiazioniW.C.G. Peh, The discovery of radioactivity and radium, Singapore Med J 1996; Vol 37:627-630 che aprì il campo allo studio degli effetti biologici delle radiazioni, che a loro volta permisero lo sviluppo di trattamenti medici.
Ernest Rutherford, lavorando in Canada e in Inghilterra, mostrò che il decadimento radioattivo può essere descritto da una semplice equazione differenziale lineare (una equazione cinetica del primo ordine), implicando che una data sostanza radioattiva possiede una caratteristica emivita (il tempo necessario affinché la massa si riduca della metà del valore originario). Egli coniò anche i termini raggi alfa, beta, e gamma, convertì l'azoto in ossigeno, e cosa più importante diresse quello che è noto come esperimento di Rutherford e che mostrò che il modello atomico di Thomson era errato. Nel "modello a panettone", proposto da Thomson nel 1904, l'atomo è composto da elettroni circondati da una "nuvola" di cariche positive che bilanciano la carica negativa degli elettroni. Secondo Rutherford, il suo esperimento implicava che la carica positiva fosse in un nucleo molto piccolo conducendo al modello atomico di Rutherford, e successivamente al modello di Bohr, dove il nucleo positivo è circondato da elettroni negativi.
Nel 1934 la figlia di Marie Curie, Irène Joliot-Curie, e suo marito furono i primi a creare la radioattività artificiale: bombardarono il boro con particelle alfa per creare l'isotopo 137N; questo isotopo decade emettendo positroni. Inoltre, bombardarono l'alluminio e il magnesio con neutroni per creare nuovi radioisotopi.
Reazioni nucleari Nelle reazioni nucleari, a differenza delle reazioni chimiche che coinvolgono i legami fra atomi o molecole, si ha un cambiamento riguardante la natura del nucleo atomico. In tali reazioni, piuttosto che la conservazione della massa totale, vale la conservazione del numero atomico (Z) e del numero di massa (A). Ad esempio, si consideri il bombardamento dell'azoto-14 con particelle α:
147N + 42α → 178O + 11H
si nota che a sinistra compare un A totale uguale a 18 (14+4), così come vale 18 (17+1) tra i prodotti di reazione. Allo stesso modo, Z totale a sinistra vale 9 (7+2) così come è pari a 9 (8+1) per i prodotti.
La spettrometria di massa ha permesso la misura quantitativa del difetto di massa, ovvero la quantità di massa che è stata convertita in energia passando dai reagenti ai prodotti finali di una reazione nucleare. L'energia corrispondente si ricava applicando l'equazione di Einstein E=mc2: ad esempio per il consumo di 1 u di materia (1,66 · 10−27 kg) si calcola una energia pari a 933 MeV.
Decadimento radioattivo
I nuclidi instabili sono soggetti a decadimento radioattivo. Esistono principalmente tre tipi di decadimento il decadimento α, β e quello γ.
Il decadimento α, caratteristico dei nuclei pesanti che presentano numero atomico superiore a 83 e numero di massa maggiore di 200, è causato dalla repulsione coulombiana tra i protoni. In questo genere di decadimento viene prodotta una particella α (in realtà rappresenta un nucleo 42He2+):
23892U → 23490Th + 42α 23290Th → 22888Ra + 42α
Il decadimento β implica la formazione di due diversi tipi di particelle indicate rispettivamente β- (elettroni ad alta energia) e β+ (positroni ad alta energia). Il decadimento β- si verifica soprattutto quando il rapporto tra neutroni e protoni è molto elevato; un neutrone si converte in un protone:
23491Pa → 23492U + 0-1β- 146C → 147N + 0-1β-
Il decadimento β+ è invece caratteristico dei nuclidi che presentano un rapporto tra neutroni e protoni molto basso; un protone è convertito a neutrone:
3015P → 3014Si + 0+1β+ 116C → 115B + 0+1β+
Il decadimento β è accompagnato anche dall'emissione di altre particelle come i neutrini.
Il decadimento γ produce radiazione elettromagnetica sotto forma di raggi γ, dotati di lunghezza d'onda tipicamente minore di 10−12 m. Un esempio di processi che porta alla produzione di raggi γ riguarda la formazione di un nuclide eccitato di nichel-60:
6027Co → 6028Ni* + 0-1β- + γ 6028Ni* → 6028Ni + γ
Alcuni nuclidi, per aumentare il rapporto tra neutroni e protoni, possono dare la cattura di un elettrone orbitante con trasformazione di un protone in neutrone:
6531Ga + 0-1e- → 6530Zn
I raggi γ rappresentano la radiazione con maggiore potere penetrante e per questo risultano le più pericolose per l'effetto ionizzante che inducono.
I radionuclidi possono generare una catena di decadimento composta da una serie di decadimenti radioattivi, nell'arco di una data scala temporale, che si concludono con la formazione di un nuclide stabile. Ad esempio, la serie del radio parte da 23892U e si conclude con la formazione del nuclide di piombo-208.
La cinetica del decadimento è del primo ordine e segue quindi l'equazione dove n è il numero di nuclidi, λ è la costante di decadimento e t il tempo trascorso.
Fissione nucleare
La fissione nucleare fu scoperta da Otto Hahn e il suo assistente Fritz Strassmann nel 1938 a Berlino-Dahlem (Istituto Kaiser Wilhelm di Chimica).
I grossi nuclei possono dare fissione spontanea o fissione nucleare indotta dal bombardamento con neutroni. In questo processo vengono formati una serie di nuclei più piccoli, ad esempio bombardando l'uranio-235 (l'isotopo fissile dell'uranio) si possono ottenere:
23592U + 10n → 9037Rb + 14455Cs + 2 10n 23592U + 10n → 8735Br + 14657La + 3 10n 23592U + 10n → 7230Zn + 16062Sm + 4 10n
Come si nota dalle reazioni, a partire da un neutrone iniziale si produce un numero multiplo di neutroni: questi sono in grado di alimentare la fissione di un numero crescente di nuclei di uranio-235 e, se questi ultimi sono presenti in quantità corrispondente alla massa critica, si può avere il verificarsi di una reazione a catena.
La fissione controllata dell'uranio è utilizzata per scopi civili nella produzione di corrente elettrica grazie alle centrali nucleari.
Un altro importante isotopo fissile è il plutonio-239, utilizzabile nei reattori autofertilizzanti, ma di contro dotato di una elevata radioattività tale da renderlo altamente pericoloso.
Fusione nucleare
Con la fusione nucleare i nuclei molto leggeri si combinano fra loro formando un nuovo isotopo più pesante. Su tale processo si basa l'enorme energia prodotta dal Sole e da altre stelle in seguito allo conversione dell'idrogeno in elio:
11H + 11H → 21H + 0+1β+ 21H + 11H → 32He 32H + 11H → 42He + 0+1β+
il cui risultato totale è quindi
4 11H → 42He + 2 0+1β+