LA FISICA NUCLEARE Energia dal nucleo Z protoni (mp=1,6•10-27 kg, qp=1,6•10-19 C) N neutroni (mp=1,6•10-27 kg, qn=0 C) Z elettroni (mp=0,9•10-32 kg, qp=-1,6•10-19 C) Numero di massa A = Z+ N Dimensioni tipiche dell’atomo: 10-10 m Dimensioni tipiche nucleo: 10-14 m L’ATOMO 𝐴 𝑋 𝑍 Gli isotopi di un elemento hanno stesso numero di protoni Z ma diverso numero di neutroni N e quindi diverso numero di massa A Rappresentano una stessa specie chimica ma con diversa massa In natura uno stesso elemento si può presentare in più isotopi che possono essere stabili (cioè rimangono immutati nel tempo) o instabili (cioè si modificano nel tempo) Esistono isotopi prodotti artificialmente dall’uomo GLI ISOTOPI Forza gravitazionale 𝑚1 𝑚2 𝑟2 Forza elettrica 𝐹𝑔 = 𝐺 1 𝑞1 𝑞2 2 0 𝑟 𝐹𝑒 = 4𝜋𝜀 Per quanto visto nella slide precedente, i protoni dovrebbero respingersi violentemente ed il nucleo esplodere! Come mai ciò non accade? LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Forza forte All’interno dei nuclei atomici si manifesta una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo la loro repulsione elettrostatica: la forza nucleare forte. Queste le sue caratteristiche: E’ sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze minori di 10-15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Forza debole Nei nuclei leggeri, in presenza di un eccesso o di un difetto di neutroni, il nucleo non è stabile (ciò avviene, ad esempio negli isotopi dell’idrogeno) 1 1𝐻 idrogeno 2 1𝐻 deuterio 3 1𝐻 trizio (instabile) La forza forte non basta da sola a spiegare l’instabilità dei nuclei. Esiste un’altra forza nota come forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi). Questa forza viene in seguito unificata a quella elettromagnetica forza elettrodebole LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Dati sperimentali confermano che La massa del nucleo di deuterio è md=3,3436•10-27 kg La somma delle masse di protone e neutrone (suoi costituenti) è mp+n=3,3475•10-27 kg Dove è andata a finire la massa mancate?!?!?! DIFETTO DI MASSA ED ENERGIA DI LEGAME Separando il nucleo di deuterio devo compiere un lavoro = energia di legame (cfr. chimica!) Einstein ci dice (nella parte di teoria della relatività che non abbiamo studiato) che E = mc² Allora il difetto di massa corrisponde all’energia di legame, come confermato ulteriori esperimenti condotti in tal senso! DIFETTO DI MASSA ED ENERGIA DI LEGAME 𝑚 𝑠 𝐸𝐿 = ∆𝑚𝑐 2 = 3,9 ∙ 10−30 𝑘𝑔 ∙ 3 ∙ 108 = 3,5 ∙ 10−32 𝐽 = 2,2 MeV L’elettronvolt (eV) è una unità di misura del lavoro molto usata in fisica atomica: 1 𝑒𝑉 = 1,6 ∙ 10−19 𝐽 Il difetto di massa è presente anche nelle reazioni chimiche, tuttavia le energie di legame tra atomi sono così piccole da non produrre effetti misurabili DIFETTI DI MASSA ED ENERGIA DI LEGAME Anche i nuclei, come gli atomi, possono trovarsi in ben precisi stati energetici, con un ben determinato valore di energia. Le energie in gioco sono molto maggiori di quelle degli atomi I fotoni emessi hanno energie altissime e, per la legge di Planck (E=hf) altissima frequenza: sono i cosiddetti raggi gamma STATI ENERGETICI Un nucleo è stabile se non si modifica nel tempo. Molti elementi sono stabili solo come isotopi. Nel piano Z-N la zona in cui si concentrano gli elementi stabili è detta “valle della stabilità” Se un elemento è instabile si modifica emettendo una particella o una radiazione (decadimento): questo fenomeno è detto “radioattività” Il nuovo elemento ha un diverso Z RADIOATTIVITÀ + - + + + A Z X N ZA42YN 2 24He2 Nuclei pesanti + A Z X N Z A1YN 1 e Nuclei con troppi neutroni + A Z X N Z A1YN 1 e Nuclei con pochi neutroni + A Z X N ZAX N h Spesso dopo decadimento o DECADIMENTI RADIOATTIVI Tramite successivi decadimenti, tutti gli atomi radioattivi raggiungono il rispettivo isotopo stabile. La catena che si viene a formare è detta famiglia radioattiva (uranio, torio, attinio) Il numero di atomi sopravvissuti all’istante t è dato dalla legge del − 𝑡 𝜏 decadimento radioattivo 𝑁 𝑡 = 𝑁0 𝑒 . è detta vita media ed è 𝑇1/2 pari a dove T1/2 è il tempo di dimezzamento (necessario 𝑙𝑛2 affinché la metà degli atomi sia decaduta) DECADIMENTI RADIOATTIVI Datazione col C-14 Fisica medica: imaging Fisica medica: radioterapia Industria: Qa-Qc (Quality assurance – Quality control) APPLICAZIONI Reazione in cui un nucleo pesante si scinde in due (o più nuclei leggeri) Reazione esoenergetica 1939: Hahn e Strassman frammentano un atomo di 235U usando un neutrone liberando 0,2 Gev ed altri tre neutroni reazione a catena! Reattori e centrali nucleari Scorie Non rinnovabilità FISSIONE NUCLEARE Processo inverso: due nuclei leggeri si fondono dando origine ad un nucleo pesante. Necessari oltre 10 milioni di gradi Kelvin (reazioni nucleari nel Sole) Fonte praticamente rinnovabile (uso del deuterio oceanico) Oltre 10 volte meno scorie radioattive Problema delle temperature e del confinamento FUSIONE NUCLEARE Rutherford «Professore, la sua scoperta potrà avere conseguenze nel campo dell’energia?» «La sua domanda è molto interessante, però io penso che coloro i quali credono che la mia scoperta possa mai avere applicazioni nel settore energetico sono come quelli che amano illudersi di potersi scaldare al chiar di luna» Una legge di natura può essere etichettata come giusta o sbagliata? Lo stesso si può dire delle sue applicazioni? …PER CONCLUDERE…? Kapitza aveva osato dir no al progetto stalinista per la tremenda bomba H (per questo fu escluso dal Nobel per svariati anni). Quando Giovanni Paolo II in un suo messaggio alla Wfs (World Federation of Scientists) disse che scienza e tecnica vanno nettamente distinte, Kapitza ne fu entusiasta e disse che la prova formidabile era Rutherford. Il padre della fisica nucleare, scoprendo che gli atomi sono fatti con un nucleo pesantissimo, circondato da una leggerissima nuvola d’elettroni, aveva saputo leggere una pagina tra le più interessanti nel libro della natura, aperto da Galilei. In quella pagina non è scritto che bisogna usare quella scoperta per fare bombe nucleari. L’uso nefasto di quella scoperta è responsabilità della violenza politica. Rutherford non aveva nemmeno immaginato che dal nucleo fosse possibile estrarre energia. E il fedele allievo di Rutherford ebbe il coraggio di opporsi all’uso di quella scoperta per fini bellici. …PER CONCLUDERE…?
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