Nucleo (chimica)
Il nucleo atomico, o semplicemente nucleo, è la parte interna e centrale dell'atomo. In esso è concentrata quasi tutta la massa dell'atomo. È formato da particelle subatomiche, i protoni e i neutroni, che sono chiamate nucleoni. I nucleoni determinano le caratteristiche nucleari e, assieme agli elettroni, le proprietà chimiche e fisiche dell'atomo.
Le particelle subatomiche, i protoni e i neutroni sono coese tra loro grazie alle forze nucleari. In particolari condizioni, i nuclei possono dividersi in nuclei più piccoli.
Ruolo del nucleo
Il nucleo contiene quasi tutta la massa dell'atomo e ne determina l'identità e le proprietà attraverso il numero di protoni presenti. Il numero atomico Z, infatti, corrisponde al numero di protoni e identifica univocamente ciascun elemento chimico. Il numero di neutroni può invece variare, determinando i diversi isotopi dello stesso elemento.
| Caratteristica | Descrizione |
|---|---|
Posizione | Regione centrale dell'atomo |
Costituenti | Protoni e neutroni, chiamati collettivamente nucleoni |
Carica elettrica | Positiva, pari a +Ze, dove Z è il numero di protoni |
Numero atomico (Z) | Numero di protoni presenti nel nucleo; identifica l'elemento chimico |
Numero neutronico (N) | Numero di neutroni presenti nel nucleo |
Numero di massa (A) | Somma di protoni e neutroni: A = Z + N |
Massa | Nel nucleo è concentrata quasi tutta la massa dell'atomo |
Dimensioni | Dell'ordine dei femtometri, circa 10⁻¹⁵ m |
Raggio nucleare | Approssimativamente R = R₀A^(1/3), con R₀ ≈ 1,2 fm |
Isotopi
La presenza dei protoni classifica l'atomo all'interno del relativo elemento chimico, mentre i neutroni determinano l'isotopo di appartenenza. Ad esempio, il carbonio possiede sei protoni e, nella sua forma più comune (o isotopo più abbondante), possiede sei neutroni. Tutti gli atomi di carbonio, in altre parole, avranno sempre sei protoni ma, in natura, esistono anche varianti con diversi numeri di neutroni, chiamati isotopi del carbonio. Un isotopo stabile dell'elemento carbonio è quello con sette neutroni (13C).
Perché 13C?
Le particelle subatomiche, compresi anche gli elettroni, che non fanno parte del nucleo ma del guscio elettronico, sono qualitativamente uguali tra tutti gli elementi: è la loro quantità a determinare le caratteristiche dell'atomo.
Scoperta del nucleo
La presenza di un nucleo atomico fu considerata plausibile soltanto dopo l'esperimento di Rutherford condotto da Geiger e Marsden. Attraverso il bombardamento di una lamina d'oro, si osservò che parte dei "proiettili", costituiti da particelle alfa emesse da una sorgente radioattiva, tornavano indietro rispetto al sito bersaglio e, in parte, venivano rilevati da uno schermo rivestito da una sottile lamina di solfuro di zinco (ZnS). Il rivestimento, nell'esperimento, aveva il ruolo di rilevatore degli urti con le particelle.
La maggior parte delle particelle passavano attraverso lo strato d'oro. Durante l'esperimento, tuttavia, fu notato che alcune particelle venivano deviate mentre altre tornavano indietro.. Ne dedusse che buona parte delle particelle alfa passasse attraverso l'atomo che, di conseguenza, la massa e la carica positiva non potevano essere distribuite uniformemente all'interno dell'atomo. Successivamente, fu avanzata un'altra ipotesi, secondo la quale una piccola parte delle particelle alfa emesse, potesse essere deviata a causa dell'interazione con questa "sconosciuta" struttura che, successivamente, fu definita nucleo atomico.
Dal punto di vista fisico, le particelle alfa, dotate di carica positiva, vengono deviate per effetto della repulsione coulombiana esercitata dalla carica positiva del nucleo..
 Primo esperimento di Rutherford. Un emettitore veicolava contro una lamina d'oro delle particelle alfa.
|  Rappresentazione schematica dell'esperimento di Rutherford.
|
Caratteristiche del nucleo
Le caratteristiche del nucleo assumono particolare importanza sia negli ambiti teorici, ad esempio per la comprensione delle proprietà e degli eventi che riguardano il nucleo, sia per la pratica sperimentale.
Massa nucleare
La massa nucleare è leggermente inferiore alla somma delle masse dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo. La differenza è legata all'energia di legame nucleare ed è espressa dalla seguente relazione:
m_{nucleo}=Zm_{p}+Nm_{n}-\frac{E_{b}}{c^2}
Dove:
- mnucleo = massa nucleare.
- Z = numero di protoni.
- N = numero di neutroni.
- mp = massa del protone.
- mn = massa del neutrone.
-
\frac{E_{b}}{c^2}= massa equivalente all'energia di legame del nucleo.
Raggio nucleare
Il raggio del nucleo è proporzionale alla radice cubica del numero di nucleoni in esso presenti. Per questa ragione, i nuclei con numero di massa maggiore tendono ad avere un raggio nucleare maggiore.
Percorso di chimica
Proprietà dell'atomo: Numero atomico, numero di massa, peso atomico, raggio atomico.
Specie chimiche: Ossidi.
Meccanica quantistica dell'elettrone: Ipotesi di De Broglie, orbitale atomico, numero quantico principale, numero quantico secondario, spin, salto quantico.
Legame chimico: Legame debole, legame ionico, legame metallico. Regola dell'ottetto, legame covalente, legame covalente dativo, energia di legame.
Stato della materia: Solido, liquido, aeriforme (gas).
Chimica delle soluzioni: Soluzione (solvente e soluto), concentrazione (molarità , normalità , frazione molare). Idrolisi, prodotto ionico dell'acqua.
Equilibrio chimico: Legge di azione di massa, costante di equilibrio.
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