Principi fisici di conversione avanzata (Energetica L.S.) G.Mazzitelli ENEA Prima Lezione 1 Forze fondamentali • Forza gravitazionale (Moto dei corpi celesti, meccanica newtoniana) • Forza elettromagnetica (Equazioni di Maxwell) 2 Effetto fotoelettrico 3 Effetto fotoelettrico Fisica classica Ecinetica max proporzionale alla intensità della radiazione (I) L’effetto fotoelettrico è indipendente dalla frequenza Il primo elettrone dovrebbe essere emesso per t>sec Esperimento Ecinetica max è indipendente dalla intensità della radiazione L’effetto fotoelettrico dipendente dalla frequenza Il primo elettrone è emesso istantaneamente La risposta fu proposta da Einstein il quale propose che la luce avesse una natura corpuscolare: i fotoni particelle di massa zero che viaggiano alla velocità della luce ed hanno una energia pari a E=hν h è la costante di Planck h=6.623x10-34 J .s 4 Diffrazione degli elettroni fotoni elettroni 5 Diffrazione degli elettroni La spiegazione di questo esperimento è solamente possibile assumendo che le particelle hanno una natura ondulatoria la cui lunghezza d’onda detta di De Broglie h p 6 Prima Lezione • • • • • • • • • • I costituenti nucleari Le dimensione e la forma dei nuclei Le masse nucleari e le energie di legame La forza nucleare Il decadimento radioattivo Leggi di conservazione nel decadimento radioattivo Il decadimento alfa Il decadimento beta Il decadimento gamma La radioattività naturale 7 Struttura dell’atomo • Ogni atomo composto da un nucleo centrale che contiene la maggior parte della massa (99,9%) e da una nuvola elettronica intorno al nucleo. • Il nucleo ha una carica elettrica positiva pari alla carica elettrica negativa degli elettroni per cui il nucleo è neutro. • Il nucleo è composto da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni.Protoni e neutroni sono chiamati anche nucleoni 8 9 Protoni Neutroni Elettroni • I protoni hanno carica positiva pari alla carica elementare e=1.6 10-19C e massa pari a mp=1.673 10-27Kg • I neutroni sono neutri e hanno massa pari a mn =1.675 10-27Kg lievemente superiore a quella dei protoni. • Gli elettroni hanno carica negativa pari alla carica elementare e=1.6 10-19C e massa pari a me=9.11 10-31Kg 10 L’atomo • Il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni e si indica con Z (numero atomico) • Il numero Z identifica l’elemento e conseguentemente determina le proprietà chimiche. • La somma del numero di protoni e neutroni si indica con A (numero di massa) 11 L’atomo • mp/memn/me=1836.15. Come detto la massa è quasi tutta nel nucleo. • Esistono nuclei con lo stesso Z e diverso A. Si dice che per ogni elemento vi sono diversi isotopi. • Raggio degli atomi: 0.050.2nm; 12 L’atomo • Nella fisica nucleare è importante conoscere e specificare bene i differenti isotopi per cui un isotopo e identificato dal simbolo chimico X ( da cui si ha Z) e dal numero di massa A , il numero di neutroni sarà allora N=A-Z. AX • Attenzione il numero di massa A non identifica la massa del nucleo ma il numero di nucleoni 13 14 Alcuni esempi •L’idrogeno 1H ha due isotopi il Deuterio (D) 2H e il Trizio (T) 3H •Quale l’elemento che ha un isotopo con numero di massa A=235 e che contiene nel nucleo 143 neutroni ? Z=A-N=92 ovverosia l’uranio 235U 15 Il nucleo • La maggior parte dei nuclei hanno una forma quasi sferica con una densità di carica nucleare piuttosto piatta 70Ge 209Bi Nuclear density 12C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 r(fm) 16 Il nucleo Numero di protoni e neutroni = Volume del nucleo A ∞ R3 A 4 πR3 ≈ costante 3 R=R0A1/3 R0 è determinato sperimentalmente ed è ≈ 1.2 X10-15 m Raggio dei nuclei: 17fm La lunghezza 1.0 X10-15 m è 1 femtometer (fm) o 1 fermi 17 Esercizio Calcoliamo la densità e la massa risultante di un nucleo che abbia un ipotetico raggio di 1cm Am p m Am p 17 3 4 3 4 3 2 x10 kg / m V 3 R R0 A 3 m V 8 x10 kg 11 La massa di una sfera di raggio 1 Km della nostra materia ! 18
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