La materia è costituita da atomi, il cui nome deriva dal greco “átomos,” che significa indivisibile. Questi atomi hanno dimensioni dell’ordine di 10-10 metri, equivalenti a 1 Ångstrom. Tuttavia, l’ipotesi di indivisibilità dell’atomo, proposta dai filosofi greci Leucippo e Democrito, è stata superata dalle attuali conoscenze. Ora sappiamo che l’atomo è composto da un nucleo, dotato di carica elettrica positiva, circondato da un guscio di elettroni, che portano una carica negativa.
In condizioni normali, le cariche elettriche del nucleo e degli elettroni si bilanciano reciprocamente, rendendo l’atomo elettricamente neutro. Le differenze macroscopiche tra le sostanze sono il risultato delle diverse caratteristiche delle particelle atomiche che le costituiscono, come la carica elettrica del nucleo, la massa e il raggio atomico.
La maggior parte della massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo, che ha dimensioni tipiche dell’ordine di 10-15 m, mentre l’atomo nel suo complesso ha dimensioni dell’ordine di 10-10 m. Ciò significa che la maggior parte del volume occupato dall’atomo è in realtà vuoto.
Il nucleo è composto da protoni, con carica elettrica positiva, e da neutroni, che sono neutri dal punto di vista elettrico.
Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo viene indicato con la lettera Z e chiamato numero atomico, mentre il numero di neutroni è indicato con la lettera N. La somma di questi due numeri viene definita numero di massa e rappresentata dalla lettera A:
A = Z + N
Gli atomi con lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi. Questi isotopi hanno le stesse proprietà chimiche, poiché condividono lo stesso numero di elettroni, ma le loro proprietà fisiche possono differire.
Elementi con uguale A e con diverso Z vengono invece chiamati isobari.
La massa di un atomo può essere approssimativamente calcolata come la somma delle masse delle particelle che lo compongono, cioè protoni (mp), neutroni (mn) ed elettroni (me-):
matomo ≈ Zmp + Nmn + Zme–
In questa equazione, l’approssimazione è dovuta all’omissione del contributo dell’energia di legame dei protoni e dei neutroni nel nucleo, come previsto dall’equazione di Einstein E = mc2, che descrive l’equivalenza tra massa ed energia. Poiché la massa degli elettroni è molto piccola rispetto a quella dei protoni e dei neutroni, possiamo ulteriormente approssimare l’equazione come segue:
matomo ≈ Zmp + Nmn
Quest’ultima equazione riflette il fatto che la massa dell’atomo è principalmente concentrata nel nucleo.
Nella tabella sono elencate le cariche e le masse (espresse in kg e MeV/c2) del protone, del neutrone e dell’elettrone.
| Carica elettrica | Massa | |
|---|---|---|
| Protone | + 1,602 ⋅ 10-19 C | 1,673 ⋅ 10-27 kg (≈ 938,3 MeV/c2) |
| Neutrone | 0 | 1,675 ⋅ 10-27 kg (≈ 939,6 MeV/c2) |
| Elettrone | – 1,602 ⋅ 10-19 C | 9,109 ⋅ 10-31 kg (≈ 0,511 MeV/c2) |
La massa atomica viene misurata in unità di massa atomica (u) o dalton (Da). Per definizione, 1 u è uguale a un dodicesimo della massa atomica del Carbonio-12: 1 u = 1 Da = (1/12) m12C.
Fonte: Fondamenti di medicina nucleare. Tecniche e applicazioni.