Capitolo 28
Fisica nucleare
e radioattività
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28.1 La struttura del nucleo
Gli atomi sono formati da elettroni orbitanti
intorno a un nucleo centrale.
Il nucleo di un atomo è formato da protoni
e neutroni, denominati nucleoni.
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28.1 La struttura del nucleo
Numero
di massa
Numero
atomico
N4
12
4A 4
3 = 12
4Z 4
3+1
42
3
Numero di protoni
e neutroni
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Numero di
protoni
Numero di
neutroni
28.1 La struttura del nucleo
I nuclei con lo stesso numero di protoni Z ma un numero differente
di neutroni si chiamano isòtopi.
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28.1 La struttura del nucleo
(
)
13
r ! 1,2 "10 m A
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#15
28.1 La struttura del nucleo
Esempio 1 Piombo e ossigeno a confronto
La densità del piombo solido è molto più elevata rispetto
a quella dell’ossigeno gassoso. Usando l’espressione
del raggio nucleare, stabilisci se la densità del nucleo di piombo
è maggiore, minore o uguale rispetto a quella del nucleo
di ossigeno.
!=
massa mA
=
= costante indipendente da A
volume cA
La densità di un nucleo di piombo è approssimativamente uguale a
quella di un nucleo di ossigeno.
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28.2 L’interazione nucleare forte e la stabilità dei nuclei
Due cariche positive molto vicine,
come due protoni in un nucleo,
si respingono reciprocamente
con una forza elettrostatica intensa.
Cosa tiene insieme il nucleo atomico?
L’interazione nucleare forte,
o interazione forte.
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28.2 L’interazione nucleare forte e la stabilità dei nuclei
Affinché un nucleo sia stabile,
la repulsione elettrostatica fra i protoni
deve essere compensata dall’attrazione
fra nucleoni dovuta all’interazione nucleare.
Quando il numero Z di protoni aumenta,
il numero N di neutroni, per mantenere
la stabilità del nucleo, deve crescere
in maniera più rapida.
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28.3 Il difetto di massa del nucleo e l’energia di legame
(
)
2
( )
energia di legame = difetto di massa c = !m c
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2
28.3 Il difetto di massa del nucleo e l’energia di legame
Esempio 3 Il contributo degli elettroni
La massa atomica dell’ 42He è 4,0026 u e la massa atomica dell’ 11H
è 1,0078 u. Calcola l’energia di legame del nucleo di 42He.
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28.3 Il difetto di massa del nucleo e l’energia di legame
!m = 4,0330 u " 4,0026 u = 0,0304 u
1 u ! 931,5 MeV
energia di legame = 28,3 MeV
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28.3 Il difetto di massa del nucleo e l’energia di legame
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28.4 La radioattività
Visto che le particelle in moto sono deviate da un campo magnetico
solo se sono elettricamente cariche, i raggi α e β consistono
di particelle cariche, mentre i raggi γ sono neutri.
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28.4 La radioattività
DECADIMENTO α
A
Z
P !
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A"4
Z "2
F +
4
2
He
28.4 La radioattività
Un rivelatore
di fumo.
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28.4 La radioattività
DECADIMENTO β
A
Z
P !
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A
Z +1
F +
0
"1
e
28.4 La radioattività
DECADIMENTO γ
A
Z
P
#
Livello eccitato
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"
A
Z
P + !
Livello inferiore
28.5 Il neutrino
Quando viene emessa una particella β da un nucleo radioattivo,
viene prodotta simultaneamente energia.
Sperimentalmente, però, si nota che la maggior parte delle particelle β
non ha un’energia cinetica sufficiente per giustificare tutta l’energia prodotta.
L’energia “mancante” viene trasportata da un’altra particella, emessa
insieme alla β: il neutrino.
234
90
Th !
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234
91
Pa +
0
"1
e + #
28.6 Decadimento radioattivo e attività
Si definisce il tempo di dimezzamento
emivita T1/2 di un isotopo radioattivo
come il tempo necessario affinché la metà
dei nuclei presenti decadano.
N = N 0e
!" t
ln 2
T1 2 =
!
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28.6 Decadimento radioattivo e attività
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28.7 Datazioni radiometriche
Se un oggetto, al momento della sua formazione, contiene nuclei radioattivi,
il loro decadimento registra lo scorrere del tempo come un orologio,
in quanto la metà dei nuclei decade durante ogni tempo di dimezzamento.
La datazione con il radiocarbonio utilizza l’isotopo 146C del carbonio,
che subisce un decadimento β con un tempo di dimezzamento di 5730 anni.
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28.8 Famiglie radioattive
Quando un nucleo padre instabile decade spesso produce un nucleo figlio
instabile. Il nucleo figlio decade producendo a sua volta un nucleo figlio
e così via, fino alla produzione di un nucleo completamente stabile.
Questa sequenza di decadimenti di un nucleo dopo l’altro dà luogo
a una famiglia radioattiva.
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28.8 Famiglie radioattive
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28.8 Famiglie radioattive
Contatore Geiger
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