1 ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE a cura di VITO CARLOMAGNO E MARIA ROSARIA MACERA.

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ELEMENTI DI FISICA ELEMENTI DI FISICA NUCLEARENUCLEARE

a cura dia cura di

VITO CARLOMAGNO VITO CARLOMAGNO EE

MARIA ROSARIA MACERAMARIA ROSARIA MACERA

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Le forze nucleariLe forze nucleari

Forza nucleare di interazione forteForza nucleare di interazione forte

Forza attrattiva di interazione forteForza attrattiva di interazione forte tra protoni e neutronitra protoni e neutroni Natura non elettricaNatura non elettrica Natura non gravitazionaleNatura non gravitazionale Si manifesta tra nucleoniSi manifesta tra nucleoni (protoni o neutroni)(protoni o neutroni) Raggio d’azione 10Raggio d’azione 10-15 -15

cmcm Ordine di grandezza 5 Me VOrdine di grandezza 5 Me V

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Le forze nucleariLe forze nucleariNOTE STORICHENOTE STORICHE

Hideki Yukawa (1935)Hideki Yukawa (1935) Ipotesi del mesone (massa 300 Ipotesi del mesone (massa 300

mmee)) Le forze nucleari dovute a Le forze nucleari dovute a

scambi di mesoniscambi di mesoni

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Le forze nucleariLe forze nucleari-ipotesi grafica--ipotesi grafica-

55

Le forze nucleariLe forze nucleari

Forza nucleare di interazione deboleForza nucleare di interazione debole

Scoperta da Enrico Fermi nel 1933Scoperta da Enrico Fermi nel 1933

Avviene fra elettroni e nucleoniAvviene fra elettroni e nucleoni

10105 5 volte inferiore alla forza nucleare di volte inferiore alla forza nucleare di

interazione forteinterazione forte

Provoca il decadimento Provoca il decadimento ββ

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La radioattività naturaleLa radioattività naturale

È un fenomeno di emissione di È un fenomeno di emissione di particelleparticelle

Provoca stabilità ed instabilità di Provoca stabilità ed instabilità di nuclei di particolari elementinuclei di particolari elementi

Utilizza la max energia di legame Utilizza la max energia di legame Tende a ridurre il numero di protoni o Tende a ridurre il numero di protoni o

di elettroni >>>>>>per la stabilitàdi elettroni >>>>>>per la stabilità (fenomeno di decadimento)(fenomeno di decadimento)

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La scoperta della radioattivitàLa scoperta della radioattività

1896 Henri Becquerel.1896 Henri Becquerel. Lastre fotografiche e Sali di uranioLastre fotografiche e Sali di uranio Fenomeno spontaneoFenomeno spontaneo Marie e Pierre CurieMarie e Pierre Curie Scoperta di nuovi elementi Scoperta di nuovi elementi

radioattiviradioattivi Polonio e radioPolonio e radio Nobel 1903Nobel 1903 M. Curie morì nel 1934 (67)M. Curie morì nel 1934 (67)

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Il decadimento radioattivoIl decadimento radioattivo

Il termine radioattivo deriva dalle Il termine radioattivo deriva dalle caratteristiche del radiocaratteristiche del radio

Di un nucleo che dà luogo a Di un nucleo che dà luogo a processi radioattivi si dice che processi radioattivi si dice che decadedecade

Decadimento di tre tipi:Decadimento di tre tipi:

emissione di particelle emissione di particelle αα

emissione di particelle emissione di particelle ββ

emissione di particelle emissione di particelle γγ

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Il decadimento radioattivoIl decadimento radioattivo

I decadimenti I decadimenti αα e e ββ sono sono accompagnati dall’emissione di accompagnati dall’emissione di raggi raggi γγ ossia radiazione ossia radiazione elettromagnetica di alta frequenza.elettromagnetica di alta frequenza.

Hanno diversa capacità penetrante.Hanno diversa capacità penetrante.

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Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo αα

Nel decadimento Nel decadimento αα un nucleo perde un nucleo perde 2 protoni e 2 neutroni2 protoni e 2 neutroni

Esso si trasforma in un nucleo di Esso si trasforma in un nucleo di massa inferiore di 4 unità ed emette massa inferiore di 4 unità ed emette la particella la particella αα costituita da 1 nucleo costituita da 1 nucleo di elio (massa 4 volte la massa del di elio (massa 4 volte la massa del nucleo di H e carica doppia di e) nucleo di H e carica doppia di e)

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Esempi di decadimento Esempi di decadimento αα

Radio (A=226 , Z=88) si trasforma inRadio (A=226 , Z=88) si trasforma in

Radon (A=224, Z=86) + Elio (A=4 , Radon (A=224, Z=86) + Elio (A=4 , Z=2)Z=2)

RadiazioneRadiazione αα >>>>>>> >>>>>>>Elio (He)Elio (He)

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Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo ββ

Nel decadimento Nel decadimento ββ un nucleo emette un nucleo emette semplicemente un elettrone (o un semplicemente un elettrone (o un positrone – elettrone positivo) e una positrone – elettrone positivo) e una particella detta neutrino di massa nulla particella detta neutrino di massa nulla e velocità c. e velocità c.

Il decadimento Il decadimento ββ può avvenire attraverso può avvenire attraverso la trasformazione di un protone in la trasformazione di un protone in neutrone + eneutrone + e++ + + ννee

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Esempi di decadimento Esempi di decadimento ββ

Piombo (A=210, Z=82) si Piombo (A=210, Z=82) si trasforma intrasforma in

Bismuto(A=210, Z=83) + eBismuto(A=210, Z=83) + e-- + +ννee

Interpretazione: Un neutrone si Interpretazione: Un neutrone si trasforma in un protone + etrasforma in un protone + e-- + + ννee

In tal modo si giustifica che A resta In tal modo si giustifica che A resta 210 e Z diventa 82+1=83.210 e Z diventa 82+1=83.

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Le leggi del decadimentoLe leggi del decadimento

La legge secondo la quale i nuclei La legge secondo la quale i nuclei decadono vale per qualsiasi tipo di decadono vale per qualsiasi tipo di nucleonucleo

dN=-dN=-λλNdt dove N è il numero di Ndt dove N è il numero di nuclei e nuclei e λλ è detta costante di è detta costante di decadimento radioattivodecadimento radioattivo

ττ=1/ =1/ λλ è detta vita media del nucleo. è detta vita media del nucleo.

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Le leggi del decadimentoLe leggi del decadimento

In termini più generali se N è il In termini più generali se N è il numero di nuclei superstiti al numero di nuclei superstiti al tempo t, Ntempo t, Noo è il numero di nuclei è il numero di nuclei all’istante iniziale, vale la all’istante iniziale, vale la relazione:relazione:

N= NN= Noo··ee--λλtt Tempo di dimezzamento: tempo Tempo di dimezzamento: tempo

dopo il quale N= dopo il quale N= NNoo/2/2

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1Kg di uranio 238>>>1/2 Kg decade 1Kg di uranio 238>>>1/2 Kg decade in 4,5 miliardi di anni.in 4,5 miliardi di anni.

Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri 4,5 Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri 4,5 miliardi di anni.miliardi di anni.

L’uranio decadrà completamente in L’uranio decadrà completamente in 50 miliardi di anni.50 miliardi di anni.

Applicazioni delle leggi del Applicazioni delle leggi del decadimentodecadimento

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Le famiglie radioattiveLe famiglie radioattive

Un nucleo soggetto a radiazione Un nucleo soggetto a radiazione passa da uno stato di instabilità ad passa da uno stato di instabilità ad uno di maggiore stabilità, ma può uno di maggiore stabilità, ma può essere trasformato ulteriormente .essere trasformato ulteriormente .

Gli elementi radioattivi sono Gli elementi radioattivi sono classificati in famiglie aventi un classificati in famiglie aventi un capostipite e una serie di discendenticapostipite e una serie di discendenti

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Le famiglie radioattiveLe famiglie radioattive

Tre famiglie radioattive naturaliTre famiglie radioattive naturali Capostipiti Capostipiti

Uranio 238 Uranio 238

Torio 232 Torio 232

e e

Uranio 235Uranio 235

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Le famiglie radioattiveLe famiglie radioattive-grafico--grafico-

2020

Particolari famiglie radioattiveParticolari famiglie radioattive

Piombo 206 in rocce antiche della Piombo 206 in rocce antiche della TerraTerra

Pari quantità di Uranio 238Pari quantità di Uranio 238 Metà Uranio>>>PiomboMetà Uranio>>>Piombo Si può risalire all’età della TerraSi può risalire all’età della Terra Il tempo di dimezzamento Il tempo di dimezzamento

dell’uranio è 4,5 miliardi di anni: età dell’uranio è 4,5 miliardi di anni: età della Terradella Terra

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Radioattività artificialeRadioattività artificiale

Oltre agli isotopi radioattivi Oltre agli isotopi radioattivi naturali si possono produrre naturali si possono produrre isotopi artificialiisotopi artificiali

Un atomo stabile è trasformato in Un atomo stabile è trasformato in un atomo instabile attraverso un un atomo instabile attraverso un processo detto di trasmutazione processo detto di trasmutazione artificialeartificiale

Consiste in un bombardamento Consiste in un bombardamento del nucleo a mezzo di neutronidel nucleo a mezzo di neutroni

Perché i neutroni?Perché i neutroni?

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Radioattività artificialeRadioattività artificiale

Un nucleo che cattura un neutrone Un nucleo che cattura un neutrone diventa instabile>>>fase di diventa instabile>>>fase di emissione radioattivaemissione radioattiva

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Esempi di radioattività artificialeEsempi di radioattività artificiale

Es. UEs. U238238(z=92)+n si trasforma in(z=92)+n si trasforma in UU239239(z=92)+ (z=92)+ γγ

UU239239(z=92) si trasforma in nettunio(z=92) si trasforma in nettunio

NpNp239239(z=93)+ (z=93)+ ββ-- NpNp239239(z=93) si trasforma in (z=93) si trasforma in

plutonio Puplutonio Pu239239(z=94)+ (z=94)+ ββ-- Il plutonio infine si disintegra per Il plutonio infine si disintegra per

emissione emissione αα

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Fall-outFall-out

InquinamentoInquinamento Maggiore è il tempo di Maggiore è il tempo di

dimezzamento maggiore è il dimezzamento maggiore è il danno che ne derivadanno che ne deriva

Stronzio 90 chimicamente simile Stronzio 90 chimicamente simile al calcio: presente nel latteal calcio: presente nel latte

Insorgere di leucemia e cancroInsorgere di leucemia e cancro Fall-out: ricaduta di materiale Fall-out: ricaduta di materiale

radioattivo a seguito di radioattivo a seguito di esplosione di bombe nucleariesplosione di bombe nucleari

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La fissione nucleareLa fissione nucleare

Consiste nella scissione di un Consiste nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei di nucleo pesante in due nuclei di massa intermediamassa intermedia

Fissione dell’uranio 235: UFissione dell’uranio 235: U235235 cattura un neutrone e si scinde in cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutronied emette altri tre neutroni

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La fissione nucleareLa fissione nuclearegraficografico

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I neutroni emessi possono I neutroni emessi possono provocare la fissione di altri nuclei provocare la fissione di altri nuclei di uranio Udi uranio U235235..

Nel processo si libera una gran Nel processo si libera una gran quantità di energia (difetto di quantità di energia (difetto di massa): energia cinetica delle massa): energia cinetica delle particelle generate + energia della particelle generate + energia della radiazione elettromagnetica radiazione elettromagnetica emessa.emessa.

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Tale energia liberata riscalda la Tale energia liberata riscalda la massa di uranio circostante massa di uranio circostante elevandone la temperatura.elevandone la temperatura.

1 kg di uranio libera energia pari a 1 kg di uranio libera energia pari a quella di 20 milioni di litri di quella di 20 milioni di litri di benzina: 20 miliardi di calorie.benzina: 20 miliardi di calorie.

Reazione a catena: la massa di Reazione a catena: la massa di uranio non deve essere inferiore uranio non deve essere inferiore ad una quantità detta ad una quantità detta massa massa criticacritica

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L’energia può essere liberata in un L’energia può essere liberata in un tempo brevissimo: processo sul quale tempo brevissimo: processo sul quale si basa la bomba atomica (bomba A).si basa la bomba atomica (bomba A).

L’energia può essere liberata in modo L’energia può essere liberata in modo controllato rendendo possibile lo controllato rendendo possibile lo sfruttamento per produrre energia sfruttamento per produrre energia utilizzabile: i reattori nucleari. utilizzabile: i reattori nucleari.

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Le due masse, singolarmente inferiori alla massa critica, in seguito Le due masse, singolarmente inferiori alla massa critica, in seguito all’esplosione sono spinte al centro dove unendosi superano la massaall’esplosione sono spinte al centro dove unendosi superano la massacritica. Il neutroni emessi innescano quindi la reazione a catena. Solo critica. Il neutroni emessi innescano quindi la reazione a catena. Solo una minima parte di uranio subisce la fissione… una minima parte di uranio subisce la fissione…

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La fusione nucleareLa fusione nucleare

Processo nel quale due nuclei Processo nel quale due nuclei “leggeri” si uniscono liberando “leggeri” si uniscono liberando energia: il nucleo prodotto ha energia: il nucleo prodotto ha massa minore della somma delle massa minore della somma delle masse dei nuclei originarimasse dei nuclei originari

Nuclei a distanza <10Nuclei a distanza <10-12-12 cm cm Bisogna vincere le repulsioni Bisogna vincere le repulsioni

elettrostatiche: occorre fornire elettrostatiche: occorre fornire energia cinetica per l’avvicinamentoenergia cinetica per l’avvicinamento

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Si riscaldano i nuclei con una Si riscaldano i nuclei con una esplosione di bomba A (innesco)esplosione di bomba A (innesco)

Temperatura elevata a milioni di Temperatura elevata a milioni di gradi gradi notevole aumento notevole aumento dell’oscillazione termica: i nuclei si dell’oscillazione termica: i nuclei si avvicinano fino a interagire avvicinano fino a interagire (interazione forte)(interazione forte) inizia il inizia il processo di fusioneprocesso di fusione

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Esempi di fusione nucleareEsempi di fusione nucleare 1 atomo di deuterio H1 atomo di deuterio H22 e 1 di trizio H e 1 di trizio H33 si si

fondono: fondono: HH22 + H + H33 =He =He4 4 (3.5M(3.5Mevev)+n(14.M)+n(14.Mevev))

Reazioni nucleari avvengono nel SoleReazioni nucleari avvengono nel Sole Energia liberata 10 volte superiore a quella Energia liberata 10 volte superiore a quella

della fissione nucleare.della fissione nucleare. Reazione nucleare = energia pulita? Non ci Reazione nucleare = energia pulita? Non ci

sono scorie radioattive, ma provocherebbe sono scorie radioattive, ma provocherebbe un innalzamento della temperatura del un innalzamento della temperatura del globo.globo.

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Problemi tecnologici: occorrono Problemi tecnologici: occorrono “contenitori” in grado di non fondersi a “contenitori” in grado di non fondersi a temperature di milioni di graditemperature di milioni di gradi

Tokamak = campo magnetico toroidale; Tokamak = campo magnetico toroidale; esso confinerebbe il gas (nuclei di Elio,…) esso confinerebbe il gas (nuclei di Elio,…) senza ricorrere a cotenitori tradizionali.senza ricorrere a cotenitori tradizionali.

Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons – Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons – tecniche elettrochimiche a temperatura tecniche elettrochimiche a temperatura ambiente…presenta forti dubbiambiente…presenta forti dubbi

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bibliografiabibliografia

Ugo amaldi -Fisica modera-Zanichelli Ugo amaldi -Fisica modera-Zanichelli

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