Costituzione della materia

Atomo

L'atomo è la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento; è composto da un nucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso.

Nucleo

• Elettricamente positivo, presenta densità molto elevata e, pur occupando solo la centomillesima parte circa del volume dell'atomo, costituisce la quasi totalità della sua massa.
• E' composto da particelle, chiamate nucleoni, che si suddividono in protoni e neutroni.
• Il numero di nucleoni definisce il Numero di Massa (A), che è la somma del numero dei neutroni (N) e del numero di protoni (Z).

(A = Z + N)

• Il protone (p⁺) possiede una massa circa 1835 volte maggiore di quella dell'elettrone e carica elettrica positiva unitaria, uguale a quella di un elettrone ma di segno opposto.
  Il numero di protoni, detto Numero Atomico o Z, determina il numero di elettroni orbitali dell'atomo elettricamente neutro e l'elemento chimico. Ad esempio, ogni atomo che contenga un solo protone, indipendentemente dal numero di neutroni o di elettroni, è idrogeno, come ogni atomo con 43 protoni è un'atomo di tecnezio.
• Il neutrone (n°) possiede massa circa1837 volte maggiore di quella dell'elettrone e non possiede carica elettrica. < /li>
• Il neutrino e l'antineutrino sono due particelle di massa prossima allo zero e carica elettrica neutra. Non possono essere considerati dei costituenti del nucleo ma vengono emessi da questo in corso di vari processi radioattivi.
• I nucleoni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

• Per il principio di esclusone di Pauli su ogni orbita nucleare permessa non possono muoversi insieme più di un protone e di un neutrone.

Legame nucleare

• La forza che mantiene unite le perticelle nucleari è la forza nucleare (o forte). Essa, agendo entro distanze paragonabili alla dimensione del nucleo, prevale sulla forza elettrica che provocherebbe la repulsione tra i protoni, elettricamente positivi.
• Con l'aumentare della massa atomica aumentano le distanze tra i protoni che iniziano a sentire l'effetto della repulsione elettrostatica. Pertanto, aumentando il numero di massa A, per la stabilità nucleare è necessaria una prevalenza di neutroni rispetto ai protoni.
• L'energia di legame necessaria alla coesione dei nucleoni proviene dalla trasformazione di parte della massa di questi ultimi e corrisponde alla differenza fra la massa che hanno quando sono legati tra loro e la somma delle masse che avrebbero se non fossero legati. Tale massa mancante è trasformata in energia di legame secondo la relazione di equivalenza massa<->energia, scoperta da Einstein

E = m x c

dalla quale deriva che una unità di massa atomica (amu), pari ad un dodicesimo della massa arbitraria assegnata al  C, corrisponde a 931 MeV di energia.

Elettroni

• Sono particelle extranucleari che orbitano ad alta velocità attorno al nucleo.
• Possiedono massa costante di 0.000549 amu e carica elettrica negativa unitaria.
• Gli elettroni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

• Per il principio di esclusone di Pauli non possono esistere nello stesso atomo due o più elettroni con gli stessi numeri quantici, ossia nello stesso stato energetico. Da ciò deriva che ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con spin opposto.

Legame elettronico

• Nella configurazione energetica più stabile gli elettroni orbitano attorno al nucleo occupando le orbite più interne che sono a più basso contenuto di energia.
  L'energia che lega gli elettroni al nucleo è maggiore per quelli che occupano le orbite più vicine rispetto a quelli più periferici; inoltre, a parità di orbita, è maggiore per gli elementi con alto Z che hanno una carica nucleare positiva maggiore. Tale energia di legame è uguale all'energia necessaria per rimuovere completamente l'elettrone dall'atomo.
• Gli elettroni possono spostarsi verso orbite più periferiche o addirittura abbandonare l'atomo se viene loro ceduta energia. Quando ciò accade l'equilibrio energetico perturbato viene ripristinato per mezzo dello spostamento degli elettroni da orbite a più alto contenuto di energia verso le orbite a più basso contenuto di energia e la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazione X 'caratteristica' o in alternativa con l'emissione di un elettrone di Auger.

Isotopi e altri Iso- Isotopi

• Sono isotopi due o più forme di uno stesso elemento, che presentano quindi lo stesso numero atomico [Z], con diverso numero di massa [A]; in altre parole, hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.
• Tra loro gli isotopi presentano le stesse caratteristiche chimiche, anche se possono essere fisicamente stabili (ossia non radioattivi) o instabili (radioattivi). Ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno sono:
• l'idrogeno comune (¹H) che ha 1p (Z=1) e 0n (A=1) ed è il più abbondante in natura;
• il deuterio (²H) che ha 1p (Z=1) e 1n (A=2) ed è presente in natura anche se raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale);
• il trizio (³H) che ha 1p (Z=1) e 2n (A=3), esiste solo perché prodotto artificialmente ed è fisicamente instabile.
• La Medicina Nucleare sfrutta le proprietà dei radioisotopi, a scopo diagnosico, terapeutico e di ricerca.

Isobari

• Sono isobari elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso peso atomico (uguale A). In altre parole presentano lo stesso numero di nucleoni, ma diverso numero di protoni e diverse caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Nedicina Nucleare.

Isotoni

• Sono isotoni elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso numero di neutroni (diverso A). Differiscono dunque anche per le caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Nedicina Nucleare.

Isomeri

• Sono forme di uno stesso elemento, identiche nella composizione nucleare (Z e A uguali), che si differenziano per lo stato di eccitazione del nucleo. Alcuni elementi, infatti, rimangono in stato eccitato per un tempo misurabile (da 1E-12 secondi fino ad alcune ore) prima di decadere ad un livello energetico inferiore attraverso un'emissione di fotoni gamma per transizione isomerica. Tale condizione è detta 'stato metastabile'.
  Normalmente, infatti, un nucleo che si trova ad un livello energetico superiore (in stato eccitato) libera l'energia in eccesso, sotto forma di radiazione gamma, riportandosi al livello energetico più basso in un tempo inferiore a 1E-13 secondi.
• Esempio di isomero è il Tecnezio 99 metastabile (^99mTc), di fondamentale importanza in medicina nucleare.