Formulario di fisica: il nucleo atomico
Da millenni, l’uomo ha cercato di comprendere la natura fondamentale della materia, cercando risposte alle domande su cosa compone realmente gli oggetti intorno a noi. Con il progresso della scienza, in particolare grazie agli esperimenti e alle ricerche svolte alla fine del XIX e all’inizio del XX secolo, siamo stati in grado di svelare i segreti nascosti al cuore della materia: il nucleo atomico e i suoi componenti. Nel contesto delle scienze atomiche, il nucleo rappresenta un’area di grande interesse, non solo per la sua centralità nella struttura atomica, ma anche per le sorprendenti variazioni che può presentare sotto forma di isotopi.
Mentre le proprietà chimiche di un elemento sono determinate in gran parte dai suoi elettroni, le caratteristiche nucleari, come il numero di neutroni, possono variare senza cambiare l’identità chimica dell’elemento. Questa variazione porta al concetto di isotopi e apre un mondo di possibili applicazioni e studi, dalla medicina nucleare all’astrofisica. Scopriamoli insieme!
- Definizione di nucleo atomico
- Definizione di isotopo
- Definizione di difetto di massa
- Definizione di energia di legame
Cos’è il nucleo atomico
Il nucleo atomico è la regione centrale di un atomo, situata al suo interno, ed è composta da protoni e neutroni, collettivamente noti come nucleoni. Mentre i protoni hanno una carica positiva, i neutroni sono neutri dal punto di vista elettrico. La quasi totalità della massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo, sebbene esso occupi solo una piccolissima frazione del volume totale dell’atomo.
Gli isotopi, invece, sono atomi dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni (e quindi la stessa carica nucleare) ma un diverso numero di neutroni. Questa differenza nel numero di neutroni si traduce in una differenza nella massa atomica, ma non influisce sulle proprietà chimiche dell’elemento. Ad esempio, l’idrogeno ha tre isotopi noti: protio (senza neutroni), deuterio (con un neutrone) e trizio (con due neutroni). Il concetto di isotopi evidenzia la flessibilità e la varietà del nucleo atomico, e sottolinea la complessità e la profondità del mondo subatomico.
Definizione di nucleo atomico
Il nucleo atomico di ogni elemento è composto da nucleoni, ossia protoni e neutroni. Il protone ha carica £$+e$£ e massa £$m_p = 1,6726 \cdot 10^{-27}$£ kg, mentre il neutrone ha carica nulla e massa £$m_n= 1,6749 \cdot 10^{-27}$£ kg. Un nuclide X si indica con £$_Z^A X_N$£, dove:
- £$Z = $£ numero atomico, che corrisponde al numero di protoni del nucleo, che è uguale anche al numero di elettroni se l’atomo è neutro, non ionizzato;
- £$N = $£ numero dei neutroni;
- £$A = Z+N = $£ numero di massa atomica.
È possibile determinare le dimensioni approssimate di un nucleo atomico nota la massa atomica. Il raggio in metri approssimativamente vale:
$$r \approx (1,2 \cdot 10^{-15}) \sqrt[3]{A} \, \, \,m$$Definizione di isotopo
L’isotopo di un elemento ha il nucleo con lo stesso numero atomico £$Z$£ ma diverso numero di massa £$ A$£ (cioè differisce rispetto all’elemento per il numero di neutroni).
Definizione di difetto di massa
La differenza di massa o difetto di massa corrisponde alla differenza tra la massa del nucleo e la somma delle masse a riposo dei singoli nucleoni che lo formano:
$$\Delta m = (Zm_p + Nm_n) – m_N$$Definizione di energia di legame
L’energia di legame è l’energia che viene liberata quando si forma il nucleo ed è correlata alla differenza di massa e alla velocità della luce dalla seguente espressione:
$$\Delta E = \Delta m \cdot c^2$$