ELEMENTI DI FISICA
NUCLEARE
a cura di
VITO CARLOMAGNO
E
MARIA ROSARIA MACERA
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Le forze nucleari
Forza nucleare di interazione forte
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

Forza attrattiva di interazione forte
tra protoni e neutroni
Natura non elettrica
Natura non gravitazionale
Si manifesta tra nucleoni
(protoni o neutroni)
-15
Raggio d’azione 10 cm
Ordine di grandezza 5 Me V
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Le forze nucleari
NOTE STORICHE
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
Hideki Yukawa (1935)
Ipotesi del mesone (massa
300 me)
Le forze nucleari dovute a
scambi di mesoni
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Le forze nucleari
-ipotesi grafica-
4
Le forze nucleari
Forza nucleare di interazione debole

Scoperta da Enrico Fermi nel 1933

Avviene fra elettroni e nucleoni

10 volte inferiore alla forza nucleare di
interazione forte

Provoca il decadimento β
5
5
La radioattività naturale
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


È un fenomeno di emissione di
particelle
Provoca stabilità ed instabilità di
nuclei di particolari elementi
Utilizza la max energia di legame
Tende a ridurre il numero di protoni o
di elettroni >>>>>>per la stabilità
(fenomeno di decadimento)
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La scoperta della radioattività
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1896 Henri Becquerel.
Lastre fotografiche e Sali di uranio
Fenomeno spontaneo
Marie e Pierre Curie
Scoperta di nuovi elementi
radioattivi
Polonio e radio
Nobel 1903
M. Curie morì nel 1934 (67)
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Il decadimento radioattivo



Il termine radioattivo deriva dalle
caratteristiche del radio
Di un nucleo che dà luogo a
processi radioattivi si dice che
decade
Decadimento di tre tipi:
emissione di particelle α
emissione di particelle β
emissione di particelle γ
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Il decadimento radioattivo


I decadimenti α e β sono
accompagnati dall’emissione di
raggi γ ossia radiazione
elettromagnetica di alta frequenza.
Hanno diversa capacità penetrante.
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Il decadimento radioattivo α
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
Nel decadimento α un nucleo perde
2 protoni e 2 neutroni
Esso si trasforma in un nucleo di
massa inferiore di 4 unità ed emette
la particella α costituita da 1 nucleo
di elio (massa 4 volte la massa del
nucleo di H e carica doppia di e)
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Esempi di decadimento α
Radio (A=226 , Z=88) si trasforma in
Radon (A=224, Z=86) + Elio (A=4 ,
Z=2)
Radiazione α >>>>>>>Elio (He)
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Il decadimento radioattivo β


Nel decadimento β un nucleo emette
semplicemente un elettrone (o un
positrone – elettrone positivo) e una
particella detta neutrino di massa nulla e
velocità c.
Il decadimento β può avvenire attraverso
la trasformazione di un protone in
neutrone + e+ + νe
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Esempi di decadimento β
Piombo (A=210, Z=82) si
trasforma in
Bismuto(A=210, Z=83) + e+νe


Interpretazione: Un neutrone si
trasforma in un protone + e- + νe
In tal modo si giustifica che A
resta 210 e Z diventa 82+1=83.
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Le leggi del decadimento
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

La legge secondo la quale i nuclei
decadono vale per qualsiasi tipo di
nucleo
dN=-λNdt dove N è il numero di
nuclei e λ è detta costante di
decadimento radioattivo
τ=1/ λ è detta vita media del nucleo.
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Le leggi del decadimento
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

In termini più generali se N è il
numero di nuclei superstiti al
tempo t, No è il numero di nuclei
all’istante iniziale, vale la
relazione:
N= No·e-λt
Tempo di dimezzamento: tempo
dopo il quale N= No/2
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Applicazioni delle leggi del
decadimento
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
1Kg di uranio 238>>>1/2 Kg decade
in 4,5 miliardi di anni.
Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri
4,5 miliardi di anni.
L’uranio decadrà completamente in
50 miliardi di anni.
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Le famiglie radioattive


Un nucleo soggetto a radiazione
passa da uno stato di instabilità ad
uno di maggiore stabilità, ma può
essere trasformato ulteriormente .
Gli elementi radioattivi sono
classificati in famiglie aventi un
capostipite e una serie di discendenti
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Le famiglie radioattive


Tre famiglie radioattive naturali
Capostipiti
Uranio 238
Torio 232
e
Uranio 235
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Le famiglie radioattive
-grafico-
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Particolari famiglie radioattive
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
Piombo 206 in rocce antiche della
Terra
Pari quantità di Uranio 238
Metà Uranio>>>Piombo
Si può risalire all’età della Terra
Il tempo di dimezzamento
dell’uranio è 4,5 miliardi di anni: età
della Terra
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Radioattività artificiale
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

Oltre agli isotopi radioattivi
naturali si possono produrre
isotopi artificiali
Un atomo stabile è trasformato in
un atomo instabile attraverso un
processo detto di trasmutazione
artificiale
Consiste in un bombardamento
del nucleo a mezzo di neutroni
Perché i neutroni?
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Radioattività artificiale

Un nucleo che cattura un neutrone
diventa instabile>>>fase di
emissione radioattiva
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Esempi di radioattività artificiale
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


Es. U238(z=92)+n si trasforma in
U239(z=92)+ γ
U239(z=92) si trasforma in nettunio
Np239(z=93)+ βNp239(z=93) si trasforma in
plutonio Pu239(z=94)+ βIl plutonio infine si disintegra per
emissione α
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Fall-out
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
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
Inquinamento
Maggiore è il tempo di
dimezzamento maggiore è il
danno che ne deriva
Stronzio 90 chimicamente simile
al calcio: presente nel latte
Insorgere di leucemia e cancro
Fall-out: ricaduta di materiale
radioattivo a seguito di
esplosione di bombe nucleari
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La fissione nucleare


Consiste nella scissione di un
nucleo pesante in due nuclei di
massa intermedia
Fissione dell’uranio 235: U235
cattura un neutrone e si scinde in
due elementi di massa intermedia
ed emette altri tre neutroni
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La fissione nucleare
grafico
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La fissione nucleare


I neutroni emessi possono
provocare la fissione di altri nuclei
di uranio U235.
Nel processo si libera una gran
quantità di energia (difetto di
massa): energia cinetica delle
particelle generate + energia della
radiazione elettromagnetica
emessa.
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La fissione nucleare



Tale energia liberata riscalda la
massa di uranio circostante
elevandone la temperatura.
1 kg di uranio libera energia pari a
quella di 20 milioni di litri di
benzina: 20 miliardi di calorie.
Reazione a catena: la massa di
uranio non deve essere inferiore
ad una quantità detta massa critica
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La fissione nucleare


L’energia può essere liberata in un
tempo brevissimo: processo sul quale
si basa la bomba atomica (bomba A).
L’energia può essere liberata in modo
controllato rendendo possibile lo
sfruttamento per produrre energia
utilizzabile: i reattori nucleari.
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La fissione nucleare
Le due masse, singolarmente inferiori alla massa critica, in seguito
all’esplosione sono spinte al centro dove unendosi superano la massa
critica. Il neutroni emessi innescano quindi la reazione a catena. Solo
una minima parte di uranio subisce la fissione…
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La fissione nucleare
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La fusione nucleare



Processo nel quale due nuclei
“leggeri” si uniscono liberando
energia: il nucleo prodotto ha massa
minore della somma delle masse dei
nuclei originari
Nuclei a distanza <10-12 cm
Bisogna vincere le repulsioni
elettrostatiche: occorre fornire
energia cinetica per l’avvicinamento
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La fusione nucleare


Si riscaldano i nuclei con una
esplosione di bomba A (innesco)
Temperatura elevata a milioni di
gradi  notevole aumento
dell’oscillazione termica: i nuclei si
avvicinano fino a interagire
(interazione forte) inizia il
processo di fusione
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Esempi di fusione nucleare
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1 atomo di deuterio H2 e 1 di trizio H3 si
fondono:
H2 + H3 =He4 (3.5Mev)+n(14.Mev)
Reazioni nucleari avvengono nel Sole
Energia liberata 10 volte superiore a quella
della fissione nucleare.
Reazione nucleare = energia pulita? Non ci
sono scorie radioattive, ma provocherebbe
un innalzamento della temperatura del globo.
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La fusione nucleare
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

Problemi tecnologici: occorrono
“contenitori” in grado di non fondersi a
temperature di milioni di gradi
Tokamak = campo magnetico toroidale;
esso confinerebbe il gas (nuclei di Elio,…)
senza ricorrere a cotenitori tradizionali.
Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons –
tecniche elettrochimiche a temperatura
ambiente…presenta forti dubbi
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bibliografia
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Ugo amaldi -Fisica modera-Zanichelli
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