IL NUCLEO
Parte centrale dell’atomo,
costituita da neutroni e protoni
IL NUCLEO
Dimensioni atomo: 10-10m
Dimensioni nucleo: 10-15m
IL NUCLEO
Nonostante le sue dimensioni, nel
nucleo è concentrata la maggior
parte della massa dell’atomo
(circa il 99,98%)
IL NUCLEO
Costituenti del nucleo
NEUTRONI
PROTONI
Sono chiamati collettivamente
NUCLEONI
IL NUCLEO
NUMERO ATOMICO Z
Numero di protoni nel nucleo
NUMERO DI MASSA A
Numero di nucleoni nel nucleo
NUMERO DI NEUTRONI N
IL NUCLEO
Numero di massa
A
X
Z
Numero atomico
Simbolo
chimico
dell’elemento
IL NUCLEO
Le proprietà chimiche degli elementi
dipendono sostanzialmente dal numero
atomico
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero atomico si
dicono
ISOTOPI
14
6
C
1
1
12
6
C
H 2H 3
1
1H
235
92
U
238
92
U
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero di massa
si dicono
ISOBARI
14
6
C
14
7
N
3
2
He
3
1
H
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero di
neutroni si dicono
ISOTONI
14
6
C
16
8
O
IL NUCLEO
John Joseph
Thompson
Scopre
l’elettrone e
formula il
primo modello
dell’atomo
IL NUCLEO
Ernest
Rutherford:
Scopre il
nucleo
IL NUCLEO
Rutherford bombarda una sottile
lamina d’oro con delle particelle
alpha, nuclei di Elio emessi ad alta
energia da alcuni elementi radioattivi
IL NUCLEO
Nel modello di Thompson il nucleo è
troppo poco denso per poter fare da
barriera alle particelle alpha
IL NUCLEO
Schema dell’esperienza di Rutherford
IL NUCLEO
Il fatto che le particelle vengano
deviate anche a grandi angoli, o
perfino respinte, indica che l’atomo
ha una parte centrale molto piccola e
densa
IL NUCLEO
LEGAME NUCLEARE
FORZA FORTE
E’ la forza che si esercita tra i quark
di cui sono costituiti i nucleoni
IL NUCLEO
CARICA DI COLORE
La forza forte si esercita tra particelle
dotate di “carica di colore”
 tra i fermioni: i quark
 tra i bosoni: i gluoni
Tutte le altre particelle non risentono
della forza forte
IL NUCLEO
CARICA DI COLORE
Le cariche di colore sono di tre tipi
ROSSO, VERDE, BLU
Con i loro opposti
ANTIROSSO, ANTIVERDE, ANTIBLU
IL NUCLEO
CARICA DI COLORE
I quark possono formare combinazioni
stabili solo se l’insieme delle tre cariche
di colore dà il bianco:
ROSSO+VERDE+BLU=BIANCO
ROSSO+ANTIROSSO=BIANCO
………….
IL NUCLEO


CARICA DI COLORE
I nucleoni sono formati da tre quark,
uno per ciascun colore
I mesoni sono formati da due quark di
colore opposto e hanno vita breve
IL NUCLEO
RAGGIO D’AZIONE
La forza forte è una forza molto
intensa ma con un raggio d’azione
brevissimo. Non ha effetti su scale
superiori a quelle del nucleo
IL NUCLEO
FORZA FORTE
A distanze minori di 10-15m
Repulsiva

A distanze di circa 10-15m
Attrattiva

A distanze superiori
Pressoché nulla

IL NUCLEO
n
p
n
n
p
p
10-15 m
IL NUCLEO
Anche le forze
interatomiche hanno le
stesse caratteristiche
IL NUCLEO
Le dimensioni del nucleo sono
determinate dal raggio d’azione della
forza forte
IL NUCLEO
Ogni nucleone si riserva un volume
di raggio 10-15m circa
Se i nucleoni fossero più lontani
non ci sarebbe legame
 Se fossero più vicini si
respingerebbero

IL NUCLEO
Un nucleo con 8 volte più nucleoni
ha un volume 8 volte maggiore e un
raggio 2 volte maggiore
IL NUCLEO
Ovvero
 V ÷ A
 r ÷ A1/3
IL NUCLEO
Due protoni vicini
Si attraggono per effetto della
forza forte
 Si respingono per effetto della
forza elettromagnetica (cariche
uguali si respingono)

IL NUCLEO
Il complesso non può dare una
struttura stabile: perché possa
formarsi un nucleo un protone deve
diventare neutrone
p
p
IL NUCLEO
Un nucleo di soli neutroni non è
stabile perché il neutrone non legato
a protoni ha una vita media di circa
15 minuti
n → p + e- + νe
IL NUCLEO
In generale un nucleo, per essere
stabile, deve contenere
SIA NEUTRONI CHE PROTONI
I nuclei LEGGERI in genere
contengono tanti neutroni quanti
protoni
IL NUCLEO
All’aumentare del numero di massa
la proporzione N/Z aumenta, cioè
sono richiesti sempre più neutroni
per la stabilità
IL NUCLEO
All’aumentare del numero di massa
la proporzione N/Z aumenta, cioè
sono richiesti sempre più neutroni
per la stabilità
IL NUCLEO
La forza forte, che lega i nucleoni,
è a breve raggio: nei nuclei di grandi
dimensioni i suoi effetti non si
risentono in tutto il nucleo
 la forza elettromagnetica,
repulsiva, è a lungo raggio, quindi i
suoi effetti si risentono ovunque

IL NUCLEO
p
n
p
n
n
p
n
p
n
n
p
p
n
p
p
n
IL NUCLEO
L’effetto “collante” dei neutroni è
quindi ridotto nei nuclei di grande
dimensioni
Serve un maggior numero di
neutroni per la stabilità
IL NUCLEO
n
n
p
p
n
n p
n
p
n
n
p
n
n
p
n
p
n
p
n
IL NUCLEO
ENERGIA DI LEGAME
Energia che serve per strappare un
nucleone dal nucleo
Si misura in MeV
1Mev  1,6 10
13
Joule
IL NUCLEO
IL NUCLEO
ENERGIA DI LEGAME
MAGGIORE ENERGIA DI LEGAME =
NUCLEO PIU’ STABILE
IL NUCLEO
Si può pensare a un nucleone come
ad una pallina dentro a una buca:
l’altezza della buca corrisponde
all’energia necessaria per uscirne
Eb
IL NUCLEO
L’energia di legame cresce al crescere
di A fino al ferro
Oltre il ferro decresce al crescere di A
IL NUCLEO
DI CONSEGUENZA
I nuclei leggeri hanno un
guadagno energetico aumentando il
loro numero di massa (FUSIONE)
 I nuclei pesanti hanno un
vantaggio riducendo il loro numero di
massa (FISSIONE)

IL NUCLEO
La stabilità dei
nuclei
rispecchia la
loro
abbondanza
nell’universo
Elemento
Parti per mil.
Idrogeno
739 000
Elio
240 000
Ossigeno
10 700
Carbonio
4 600
Neon
1 340
Ferro
1 090
Azoto
950
Silicio
650
Magnesio
580
Zolfo
440
Rimanenti
650
IL NUCLEO
Per comprendere tutto ciò bisogna tener
presente che:




Le forze attrattive aumentano l’energia di legame
Le forze repulsive la diminuiscono
La forza forte (attrattiva) è a breve raggio
La forza elettrica (repulsiva) è a lungo raggio
IL NUCLEO
In un nucleo piccolo più nucleoni si
inseriscono più forte diventa il legame
p
n
n
n
p
p
p
n
IL NUCLEO
In un nucleo grande i nucleoni non riescono
più ad attrarsi tutti reciprocamente
n
p
n p n
n
p
n
n
p
n
n
p
p
p n
n
p
n
IL NUCLEO
Così l’aggiunta di nuovi nucleoni non fa
aumentare l’energia di legame, anzi questa
diminuisce a causa della repulsione elettrica
n
p
n p n
n
p
n
n
p
n
n
p
p
p n
n
p
n
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
I nucleoni, come gli elettroni, si dispongono
su ORBITALI caratterizzati ciascuno da un
valore di energia (LIVELLI ENERGETICI)
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
Neutroni e protoni sono
FERMIONI (spin = ½)
Quindi su ogni orbitale può stare un numero
limitato di nucleoni determinato da
NUMERI QUANTICI
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
Il livello più basso (1s) può contenere due
nucleoni (neutroni o protoni)
Se questi livelli sono completi il nucleo è
particolarmente stabile
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
Questo spiega l’eccezionale stabilità del
nucleo di Elio (7 Mev di energia di legame)
p
n
n
p
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’
Consiste nell’emissione da parte del nucleo
di particelle
 α
nuclei di elio
 β
elettroni o positroni
 γ
fotoni di alta energia
IL NUCLEO
Henri
Becquerel
scopre
casualmente la
radioattività nel
1896
IL NUCLEO
I coniugi Pierre
e Marie Curie
nel loro
laboratorio
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ ALPHA
E’ propria dei nuclei pesanti che, per
conseguire maggiore stabilità, si liberano di
nucleoni sotto forma di un nucleo di Elio
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
E’ propria dei che hanno più o meno
neutroni rispetto alla proporzione N/Z più
stabile
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
I nuclei con troppi neutroni tendono a
liberarsene trasformandoli in protoni
n → p + e- + νe
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
I nuclei con pochi neutroni tendono ad
acquisirne trasformando protoni in neutroni
p + νe → n + e+
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ GAMMA
E’ dovuta al fatto che, in seguito ad altri
processi nucleari, qualche nucleone si trova
su livelli eccitati
IL NUCLEO
Questi nucleoni decadono sul livello
fondamentale emettendo energia sotto
forma di raggi gamma.
IL NUCLEO
I tre tipi di raioattività furono determinati dal
modo in cui i raggi emessi da un campione
di Radio venivano deviati da un campo
magnetico
IL NUCLEO
I nuclei più pesanti del piombo tendono a
trasformarsi in piombo secondo una serie di
passaggi detta
SERIE RADIOATTIVA
Una serie radioattiva prevede tutti e tre i tipi
di decadimento
IL NUCLEO
IL NUCLEO
Ogni nucleo radioattivo è caratterizzato da
un
TEMPO DI DIMEZZAMENTO
Cioè dal tempo in cui metà dei nuclei iniziali
di quell’elemento subisce il decadimento
IL NUCLEO
ELEMENTO
TEMPO DI
DIMEZZAMENTO
RADIAZIONE
Americio 241
432 anni
Alfa
Plutonio 239
24400 anni
Alfa
Radio 226
1600 anni
Alfa
Radon 222
3,8 giorni
Alfa
Radon (Toron) 220
55,6 secondi
Alfa
Uranio 235
700 milioni di anni
Alfa
Uranio 238
4,5 miliardi di anni
Alfa
Torio 232
14,05 miliardi di anni
Alfa
Stronzio
28 anni
Beta
Carbonio 14
5730 anni
Beta
Promezio
2,6 anni
Beta
Cesio 137
30 anni
Beta - Gamma
IL NUCLEO
Minore è il tempo di dimezzamento,
maggiore è l’ATTIVITA’ (cioè il numero di
particelle emesse in un secondo) del nucleo
IL NUCLEO
Maggiore è l’attività di un nucleo, maggiore
è la pericolosità di quell’elemento, perché
emette un flusso di radiazioni maggiore
IL NUCLEO
Le radiazioni più PENETRANTI, e quindi più
pericolose, sono quelle gamma, seguite da
beta e alpha
In compenso i raggi alpha e beta sono molto
più IONIZZANTI dei raggi gamma
IL NUCLEO
IL NUCLEO
Per approfondire l’argomento dei danni
biologici causati dalle radiazioni si può
vedere questa presentazione messa in rete
dall’università di Cagliari
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
E’ la scissione di un nucleo pesante in più
parti, dovuta all’assorbimento da parte del
nucleo di un neutrone
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
La scissione di un nucleo pesante è
energeticamente favorevole perché i nuclei
intermedi hanno energia di legame superiore
a quelli pesanti
L’energia liberata è quasi un MeV per
nucleone
IL NUCLEO
Lise Meitner
e Otto Hahn,
scopritori
della fissione
nucleare
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Le parti in cui si divide il nucleo sono due
nuclei di massa intermedia, come rubidio e
cesio, e due o tre neutroni
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Il MODELLO A GOCCIA del nucleo spiega la
fissione come il risultato di un moto
oscillatorio indotto nel nucleo dal neutrone
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
n
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
I neutroni liberati possono a loro volta
provocare fissione in altri nuclei (REAZIONE
A CATENA)
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Qui un nucleo di uranio 238 assorbe un
neutrone da fissione e si trasforma in
plutonio
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
I nuclei fissili sono quelli più pesanti,
sostanzialmente uranio e plutonio
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
L’isotopo fissile dell’uranio è il 235, meno
abbondante in natura.
Il 238 subisce fissione solo con neutroni
molto veloci
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Per poter utilizzare l’uranio come
conbustibile nucleare è necessario
aumentare la percentuale di 235
(arricchimento).
Infatti, nell’uranio estratto in natura la
percentuale di 235 è meno dell 1% e la
reazione a catena non si sostiene
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Reattori a fissione: arricchimento al 3%
(in percentuale superiore nei reattori di nuova
generazione)
Bomba atomica: arricchimento all’85%
IL NUCLEO
URANIO IMPOVERITO
L’uranio 238 scartato nel processo di
arricchimento è detto uranio impoverito.
Data l’elevata densità di tale elemento, quasi
doppia del piombo, l’uranio impoverito è
adatto per contrappesi, oppure per i
penetratori delle armi anticarro a energia
cinetica
IL NUCLEO
I carri moderni hanno
corazze che rendono
quasi inutili le armi a
esplosivo. Per penetrare
la corazza si usano delle
lance fatte di uranio
impoverito che, con la
loro sola energia
cinetica, provocano
l’esplosione del carro
IL NUCLEO
Le zone in cui sono state
usate queste armi
devono essere bonificate
con cura, perchè la
polvere di uranio inalata
può essere molto
dannosa alla salute
IL NUCLEO
Enrico Fermi,
costruisce la
prima pila atomica
e partecipa
attivamente alla
costruzione della
prima bomba
atomica
IL NUCLEO
Il reattore di
Fermi fu costruito
a Chicago.
Consisteva in una
pila di elementi di
uranio e grafite,
materiale capace
di rallentare i
neutroni
IL NUCLEO
Schema di un
reattore: il calore
prodotto nel
nocciolo vaporizza
l’acqua che aziona
le turbine
collegate ad un
alternatore
IL NUCLEO
Schema di un
nocciolo: le barre
di controllo,
quando sono
inserite, catturano
i neutroni e
spengono la
reazione a catena
IL NUCLEO
Perchè si inneschi una reazione a catena
esplosiva è necessaria la presenza di una
MASSA CRITICA
che per l’uranio è di circa 60 Kg
IL NUCLEO
Nei reattori non si raggiunge mai la massa
critica quindi questi non possono
esplodere come una bomba
Inoltre la maggior parte dei neutroni è
catturata da barre di controllo, e quindi la
reazione procede lentamente
IL NUCLEO
Schema della prima
bomba atomica
La massa critica
viene raggiunta
comprimendo tra di
loro per mezzo di un
esplosivo
convenzionale due
masse subcritiche
IL NUCLEO
La prima
bomba
atomica, “little
boy”
IL NUCLEO
Signore, alcuni recenti lavori di E. Fermi e L. Szilard, a me comunicati in un manoscritto, mi inducono a sospettare che le
acquisizioni sull'elemento uranio possono essere impiegate in una nuova ed importante fonte di energia nel futuro immediato.
Aspetti certi di questa situazione, per come si sono determinati, sembrano suggerire una particolare attenzione e, se
necessario, un rapido intervento da parte dell'Amministrazione. Credo perciò che sia mio dovere portare alla Sua attenzione i
fatti e le raccomandazioni seguenti.
Nel corso degli scorsi quattro mesi si è reso evidente- attraverso i lavori di Joliot in Francia e di Fermi e Szilard in America- che
può divenire possibile innescare una reazione nucleare a catena in una grande massa di uranio, dalla quale sarebbero generati
enorme energia e grande quantità di nuovi elementi radioattivi. Ora appare quasi certo che ciò si possa ottenere
nell'immediato futuro. Questo nuovo fenomeno condurrebbe anche alla costruzione di bombe, ed è concepibile- sebbene molto
meno certo- che armi estremamente potenti di un tipo nuovo possono essere costruite in questo modo. Una bomba singola di
questo tipo, trasportata da una barca e fatta esplodere in un porto, potrebbe distruggere non solo il porto, ma anche parte dei
territori circostanti. Comunque, va verificato se tali bombe potrebbero essere troppo pesanti per il trasporto aereo. Gli Stati
Uniti possiedono giacimenti minerari di uranio in modeste quantità. Ce n'è qualcuno migliore in Canada e in Cecoslovacchia,
mentre la fonte più importante di uranio è il Congo belga. In vista di questa situazione Ella dovrebbe considerare auspicabile
un contatto permanente tra l'amministrazione ed il gruppo di fisici che lavora sulle reazioni a catena in America. Una via
possibile per raggiungere questo obiettivo potrebbe essere per Lei affidare questo compito ad una persona di Sua fiducia, che
potrebbe rivestire un ruolo non ufficiale. Il suo compito potrebbe consistere in: a) avere contatti con Dipartimenti Statali,
tenerli informati degli ulteriori sviluppi , proporre strategie per gli interventi dello Stato, prestando particolare attenzione al
problema di assicurare un approvvigionamento di uranio agli Stati Uniti; b) accelerare il lavoro sperimentale, che risulta
attualmente condizionato dai limiti di bilancio dei Laboratori di ricerca delle Università, provvedendo al rastrellamento di fondi,
ove necessario, attraverso contatti con enti e privati, interessati a contribuire a questa causa, e forse anche per ottenere la
cooperazione di laboratori industriali che già dispongono delle strutture necessarie. Ho saputo che la Germania ha bloccato la
vendita di uranio dalle miniere ceche, avendo conquistato la Cecoslovacchia. Questa decisione repentina è stata probabilmente
presa sulla base delle ricerche che il figlio del Sottosegretario di Stato Tedesco, von Weizsacker, ha avviato, al Kaiser-WilhelmInstitute di Berlino, ricerche simili a quelle degli americani sull'uranio.
Distinti saluti,
Albert Einstein
IL NUCLEO
L’ecquipaggio
dell’aereo che
la sganciò
IL NUCLEO
L’esplosione su
Hiroshima
IL NUCLEO
Gli effetti
dell’esplosione
IL NUCLEO
Robert
Oppenheimer,
capo del
progetto
Manhattan per
la costruzione
della prima
bomba atomica
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
E’ il processo per cui due nuclei leggeri
si uniscono per formare un nucleo più
pesante
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
Il processo è energeticamente
favorevole perché i nuclei leggeri hanno
energia di legame inferiore a quelli di
massa intermedia
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
Perché la fusione avvenga due nuclei
devono superare la repulsione
elettrostatica che tende ad allontanarli
Questo è possibile solo in condizioni di
elevatissima temperatura e densità
IL NUCLEO
Nella fusione di
quattro protoni
per formare un
nucleo di Elio si
ha la liberazione
di circa 7 MeV
per nucleone
IL NUCLEO
Un esempio è la
fusione di
deuterio e trizio,
in cui si forma un
nucleo di elio e
viene liberato un
neutrone veloce
IL NUCLEO
Nella bomba all’idrogeno una piccola
bomba a fissione produce le condizioni
di densità e temperatura necessarie
perché un nocciolo di deuterio e trizio
possa arrivare alla fusione
IL NUCLEO
L’esplosione della
prima bomba H
nell’atollo di
Bikini
IL NUCLEO
TELLER
Alcuni dei
“padri” della
bomba
all’idrogeno
BETHE
SAKHAROV
ULAM
IL NUCLEO
I coniugi
Rosenberg
vennero
condannati a
morte per
spionaggio
nucleare a
favore dell’URSS
Nel 1953
IL NUCLEO
EQUILIBRIO DEL TERRORE
E’ la teoria secondo la quale una guerra
nucleare tra grandi potenze diventa
impossibile perché entrambi i contendenti
ne uscirebbero totalmente distrutti
IL NUCLEO
PRIMO COLPO
Una potenza nucleare, credendosi in
vantaggio rispetto all’altra, potrebbe
sferrare un attacco preventivo (primo colpo)
che ne annienti del tutto le capacità
offensive)
IL NUCLEO
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD)
La garanzia dell’equilibrio del terrore è che,
anche in caso di un devastante primo colpo,
la potenza aggredita conservi la capacità di
distruggere completamente l’aggressore
IL NUCLEO
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD)
In questa logica lo scopo delle armi nucleari
non è quello di colpire obiettivi militari ma
di produrre la massima distruzione possibile
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
Il mantenimento dell’equilibrio richiede che
ognuno dei contendenti abbia sempre un
numero di armi molto superiore a quello
che sarebbe necessario
Questo, negli anni ’80, innescò una corsa
agli armamenti che fu una delle cause del
tracollo economico dell’URSS
IL NUCLEO
MOVIMENTO PACIFISTA
Scienziati, filosofi e intellettuali si
adoperarono per il disarmo nucleare già a
partire dalla fine degli anni quaranta.
Tra i nome più illustri Albert Einstein e
Bertrand Russell
IL NUCLEO
MOVIMENTO PACIFISTA
Nel film “Il dottor
Stranamore” (1963) il
registra inglese Stanley
Kubrick rappresenta lo
scoppio di un conflitto
nucleare portando
all’attenzione del grande
pubblico il problema della
corsa agli armamenti
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
Questo fece temere, verso la metà degli
anni ’80, che lo scoppio di un conflitto
nucleare tra superpotenze fosse non solo
possibile ma anche imminente
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
Il film per la tv “The day
after” (1983) di Nicholas
Meyer fu la più realistica
rappresentazione delle
conseguenze di un
conflitto atomico ed ebbe
una vasta influenza
sull’opinione pubblica
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
Uno degli episodi culminanti della guerra
fredda fu lo schieramento di missili dotati di
testata nucleare in Sicilia, cioè a pochi
minuti di volo dall’URSS, in risposta
all’analogo schieramento di missili da parte
sovietica in Germania Est
IL NUCLEO
Le proteste contro lo schieramento dei
missili a Comiso
IL NUCLEO
Nel 1987 il
presidente
Reagan e il
segretario del
PCUS Gorbaciov
firmarono un
trattato per lo
smantellamento
dei missili in
europa
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
I missili furono schierati
nel 1983 e ritirati nel
1991, anno in cui la
guerra fredda si era ormai
conclusa con la
dissoluzione del blocco
sovietico
IL NUCLEO








ARMI NUCLEARI NEL MONDO (testate)
Russia 15000
USA 9900
Francia 350
Cina 200
Israele 80
Pakistan 60
India 50
Corea del nord 2?