IL NUCLEO ATOMICO
E L’ENERGIA NUCLEARE
Il nucleo atomico
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Struttura atomica
Elementi e isotopi
Forze nucleari
Decadimento radioattivo
Fissione e fusione
P.Montagna
mag 2003
L’energia nucleare
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Reattori nucleari
Centrali nucleari
La bomba atomica
Le mine antiuomo
Chernobyl
Il nucleare in Italia
Fisica nucleare
Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
pag.1
L’atomo
Z protoni
mp = 1.67 • 10-27 kg
q = +e = 1.6 • 10-19 C
N neutroni
mn = 1.67 • 10-27 kg
q = 0
Z elettroni
me = 9.07 • 10-31 kg
q = -e = -1.6 • 10-19 C
Rnucleo  10-15 m = 1 fm
Ratomo  10-10 m = 1 Å
il nucleo è 100000 volte
più piccolo dell’atomo!
P.Montagna
mag 2003
Ratomo
Rnucleo
Numero di massa:
 105 !
Fisica nucleare
A = Z + N A
Notazione: Z X
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pag.2
Atomi, nuclei, particelle:
le loro dimensioni
P.Montagna
mag 2003
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pag.3
Elementi chimici
Elementi chimici: atomi con diverso Z
naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92)
artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92)
TAVOLA PERIODICA
DI MENDELEEV
P.Montagna
mag 2003
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pag.4
Isotopi
Isotopi:
stesso n.protoni Z
diverso n.neutroni N
N
(stessa specie chimica, diversa massa)
stabili
radioattivi
(naturali e artificiali)
Stabilita’ dei nuclei:
Nuclei leggeri (Z  20)  N = Z
Nuclei pesanti (Z > 20)  N > Z
Z
… come si spiega? …
P.Montagna
mag 2003
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pag.5
Ma i protoni non si respingono?
Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d  10-15 m).
Essi risentono delle forze di:
 27 2
mpmp
attrazione
)
11 (1.67 10
34
FG  G


6
.
67

10


2

10
N
2
15 2
gravitazionale
r
(10
)
19 2
repulsione
1 q pq p
)
9 (1.6 10
FE  

9

10
 230 N
15 2
elettrostatica
4 0 r 2
(10
)
FE
P
FG FG
P
?!?
FE
In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica)
i protoni dovrebbero respingersi violentemente
e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici.
A MENO CHE…
P.Montagna
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pag.6
La “colla” nucleare
A MENO CHE…
All’interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forza
di attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo la
loro repulsione coulombiana.
Caratteristiche della forza nucleare:
• E’ sempre attrattiva
• Si manifesta solo a distanze d  10-15 m
• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni
... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei...
P.Montagna
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pag.7
Guardando i nuclei leggeri...
... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni
il nucleo non è stabile
Idrogeno: Z=1
Elio: Z=2
1
1H
2
2 He
2
1H
Deuterio
3
1H
Trizio
 instabile!
Non
esiste!
3
2 He
4
2 He
5
2 He
 instabile!
La forza nucleare non basta ancora:
ci deve essere un’altra forza
responsabile dei decadimenti nucleari
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pag.8
Ma quanti neutroni
ci vogliono nel nucleo?
Né troppi,
né troppo pochi!
N
La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale.
Quindi il rapporto tra protoni e neutroni nel nucleo
non dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne che
per la repulsione elettrostatica tra i protoni.
Invece si verifica che in natura esistono solo
• nuclei leggeri (Z  20) con N  Z
• nuclei pesanti (Z > 20) con N > Z
Z
Altri nuclei non esistono, o – se prodotti –
decadono spontaneamente dopo un certo
tempo, emettendo particelle, o trasformandosi
in altre specie, o spezzandosi in nuclei più
piccoli.
RADIOATTIVITA’
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pag.9
Radioattivita’
Radioattività = trasformazione spontanea o artificiale
dei nuclei con emissione di radiazione
corpuscolare  particelle
elettromagnetica  energia
Quando?
Nei nuclei non compresi
nella “valle di stabilità”:
•
•
•
•
nuclei
nuclei
nuclei
nuclei
con
con
con
con
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N
troppi protoni (Z>92)
troppi neutroni
pochi neutroni
troppa energia
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Z
pag.10
Decadimenti radioattivi

+
-
+
+
+
A
Z XN
A 4
4
Z
Y

 2 N  2 2 He2
Nuclei pesanti
+
A
Z XN
 Z A1Y N 1  e   
Nuclei con troppi neutroni
+
A
Z XN
 Z A1Y N 1  e   
Nuclei con pochi neutroni

+
A
Z XN
 ZAX N  h
Spesso dopo decadimento  o 
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pag.11
La fissione nucleare
I nuclei pesanti (Z>92), se bombardati ad es. con neutroni, tendono
a decadere spezzandosi in due nuclei di massa circa metà di quella
di partenza, emettendo inoltre altri neutroni, che possono provocare
una reazione a catena.
Nella fissione viene
emessa energia:
circa 200 MeV
(contro i 20 eV
delle reazioni chimiche)
n
235
92 U

236 *
92 U


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144
56 Ba
140
54 Xe


89
36 Kr  3n
94
38 Sr  2n
Fisica nucleare
1g di fissione 
30000 kWh di energia
= consumo familiare
di 5 anni!!!
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pag.12
La fusione nucleare
I nuclei leggeri (Z<15), in condizioni particolari (es. altissime
temperature) in cui riescono ad avvicinarsi l’un l’altro a piccolissime
distanze, possono fondersi a due a due in nuclei più pesanti.
Nella fusione viene
emessa energia:
alcuni MeV
(contro i 20 eV
delle reazioni chimiche)
Nel Sole, a ogni secondo,
564500 kg di idrogeno
si convertono in 560000 kg di elio;
i restanti 4500 kg diventano energia
che viene irraggiata nello spazio.
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pag.13
Verso l’energia nucleare: le tappe
Dai fenomeni naturali...
1895:
1896:
1898:
1899:
Roentgen  raggi X
Becquerel  radioattività naturale
Curie  elementi radioattivi
Rutherford  radiazioni , , 
1905: Einstein
 E=mc2
...ai fenomeni artificiali
1919:
1932:
1934:
1934:
1938:
1942:
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Rutherford  reazioni nucleari
Chadwick  neutrone
Curie  produzione di radioisotopi
Fermi  neutroni lenti su uranio
Hahn-Strassmann  fissione
Fermi  reattore nucleare
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pag.14
I neutroni lenti e l’uranio
1932: scoperta del neutrone
Il neutrone è neutro, e quindi non
è soggetto a repulsione elettrica.
Ha quindi un’elevata capacità di
penetrazione nel nucleo.
Bombardando nuclei di uranio con neutroni si ottengono
moltissime sostanze radioattive.
Se i neutroni passano attraverso sostanze particolari
(moderatori: es. acqua o paraffina) che diminuiscono
la loro velocità, l’effetto radioattivo aumenta molto.
Inoltre vengono emessi altri neutroni che possono essere
utilizzati a loro volta per continuare il processo a catena.
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pag.15
Reazioni a catena
La fissione nucleare può avvenire con reazioni a catena.
Se controllata, è una enorme sorgente di energia!
Se incontrollata, ha effetti devastanti!
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pag.16
Il reattore nucleare
• Cubo di grafite (moderatore dei neutroni)
• barre di uranio
• barre di controllo di boro e cadmio
(assorbitori dei neutroni in eccesso)
Pila di Fermi,
Chicago 1942
Sollevando o abbassando le barre di controllo,
è possibile innescare o bloccare la reazione a catena.
P.Montagna
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pag.17
Centrali nucleari
Reattore protetto da una
campana di rivestimento +
sistema di raffreddamento
in cui circola acqua.
L’acqua trasformata in
vapore mette in azione una
turbina collegata con un
alternatore che produce
energia elettrica.
Il vapore uscito dalla
turbina passa in un
condensatore dove viene
raffreddato e trasformato
in acqua. Quest'acqua viene
di solito inviata al reattore
per essere riutilizzata.
P.Montagna
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pag.18
Verso la bomba
Il processo di fissione realizzato da Fermi in Italia nel 1934
viene capito solo nel 1939 da Hahn e Strassmann in Germania.
Negli Stati Uniti, dove Fermi e molti altri sono emigrati dopo
le leggi razziali del 1938, si teme che la Germania produca la
bomba atomica.
I fisici europei emigrati negli Stati Uniti, con l’appoggio
determinante di Einstein, convincono il presidente
Roosevelt della necessità di iniziare le ricerche
per costruire la bomba prima della Germania.
"Se avessi saputo che i tedeschi non sarebbero riusciti a costruire
la bomba atomica, non avrei mai alzato un dito.“
Albert Einstein
P.Montagna
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pag.19
Los Alamos
Dicembre 1941: gli USA entrano in guerra
Estate 1942: Roosevelt crea il Progetto Manhattan per le ricerche
sulla bomba atomica
Dicembre 1942: Fermi realizza il reattore nucleare (pila di Fermi)
Marzo 1943: inizia in gran segreto
la costruzione della cittadella di
Los Alamos (direttore Oppenheimer)
Novembre 1944: si capisce che la
Germania non riuscirà ad arrivare
alla bomba. Inizia il dubbio degli
scienziati: non ci sono più motivi
per la bomba.
Primavera 1945: alcuni scienziati
scrivono a Roosevelt: fermiamoci!
Aprile 1945: muore Roosevelt.
P.Montagna
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pag.20
Via alla bomba!
Aprile 1945: Truman nuovo Presidente USA. Finisce la guerra in
Europa. Il Giappone non si arrende.
Giugno 1945: un gruppo di fisici (Oppenheimer, Fermi e altri)
chiede di lanciare subito la bomba sul Giappone; un altro gruppo
di fisici (Slizard e altri) chiede di usare la bomba solo nel deserto,
a scopo dimostrativo. Truman decide per il lancio sul Giappone.
Luglio 1945: pronti 2 tipi di bombe,
a uranio 235 e plutonio 239. Lancio
dimostrativo nel Nuovo Nessico:
potenza: 20000 tonnellate di tritolo.
Ultimatum al Giappone: respinto.
6 agosto 1945: Hiroshima
9 agosto 1945: Nagasaki
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pag.21
La bomba atomica
Principio contrario
a quello del reattore:
fissione totalmente
incontrollata.
Tempi accelerati: uso di neutroni veloci  eliminato il moderatore
Si ha fissione quando l’uranio supera una certa massa critica 
per “programmare” l’esplosione, il combustibile viene suddiviso in
più parti, e la reazione viene innescata mediante un normale
esplosivo, posto sulla testata, che fa “scontrare” le diverse
parti di uranio.
In base ai danni che si vogliono procurare, l’esplosione viene
fatta avvenire a una certa quota, determinata da un altimetro.
P.Montagna
mag 2003
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pag.22
Hiroshima e Nagasaki
Hiroshima
uranio 235
98% distruzione
70000 morti
Nagasaki
plutonio 239
47% distruzione
75000 morti
La scienza in crisi
Prima bomba: necessaria?  sgomento...
Seconda bomba: inutile!  rabbia!...
P.Montagna
mag 2003
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pag.23
Lo sminamento umanitario
L’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa
alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO.
Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini).
Sminamento troppo costoso:
ispezione del terreno con sensori
di anomalia  allarme  estrazione
e neutralizzazione esplosivo
tempo: > 30 minuti
costo: 300-1000 $
falsi allarmi: 99 %
Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%,
contro il <2 % normale)  I terreni minati sono ricchissimi di azoto
P.Montagna
mag 2003
Fisica nucleare
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pag.24
Il nucleare contro le mine antiuomo
INFN Pavia, Padova, Bari.
Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare
una anomala quantità di azoto.
Reazione di cattura neutronica:
14N
+ n  15N +  (E=10.8 MeV)
Metodo proposto:
• tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot
• neutroni da fissione spontanea di 252Cf
• rivelazione dell’energia mediante scintillatori
• analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni
• intervento umano solo dopo la conferma
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pag.25
L’energia nucleare
è “buona” o “cattiva”?
Come ogni cosa, ha vantaggi e svantaggi.
Fissione:
+
-
facile innesco e controllo
costo e produzione combustibile
forte inquinamento radioattivo
pericolo di catastrofe
Fusione:
+
disponibilità illimitata combustibile
nessun inquinamento
difficile innesco (altissime temperature)
-
 fusione fredda?...
P.Montagna
mag 2003
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pag.26
Energia nucleare
P.Montagna
mag 2003
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pag.27
Il disastro di Chernobyl
Chernobyl, Ucraina, 26 aprile 1986
Per un test:interruzione del vapore +
disattivazione sistemi di sicurezza
reazione a catena incontrollata
 energia 100 volte superiore
aumento di temperatura
 fusione del reattore
aumento di pressione
 esplosione del “tetto”
incendio della grafite per 10 giorni
Nube radioattiva in tutta Europa:
131I
 T1/2  8 giorni
137Cs
 T1/2  30 anni
P.Montagna
mag 2003
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pag.28
Chernobyl prima e dopo
P.Montagna
mag 2003
Fisica nucleare
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pag.29
Il nucleare in Italia
Dopo il disastro di Chernobyl, in Italia si diffonde tra
l’opinione pubblica un sentimento di ostilità e di rifiuto
nei confronti dell’energia nucleare: i risultati di tre
referendum popolari (1987), pur riferendosi ad aspetti
puramente tecnici del nucleare, sono interpretati dalla
grande maggioranza delle forze politiche e dai cittadini
come un netto rifiuto della politica energetica nucleare.
In Italia non esistono più centrali nucleari: le 4 esistenti, a
Caorso (PC), Trino (VC), Latina, Garigliano (FR), sono state
smantellate, e nessun’altra verrà più costruita.
Ma l’Italia deve importare una enorme quantità di energia
dai Paesi vicini (es. Francia).
E se avvenisse un incidente ai nostri confini...
P.Montagna
mag 2003
Fisica nucleare
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pag.30
Il nucleare ai nostri confini
Dal 1987 l'Italia ha chiuso col nucleare, ma 13 centrali straniere sono a
un passo da noi. L'Anpa (Agenzia nazionale per la protezione ambientale)
le considera come se fossero praticamente nel territorio italiano,
per le conseguenze di un incidente sulla popolazione e sull’ambiente.
Mappa delle fonti di un
possibile inquinamento
nucleare per l’Italia.
Il nostro Paese è circondato
da una serie di centrali
nucleari stanziate a pochi
centinaia di km dai confini.
Sono evidenziati in rosso i
centri di rilevamento di
radiazioni che dovrebbero
dare tempestivamente
l’allarme in caso di incidente
nucleare.
P.Montagna
mag 2003
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pag.31
Il nucleare in Europa
P.Montagna
mag 2003
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pag.32