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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.1

FISICA NUCLEARE

Atomo e dimensioni atomiche Elementi chimici e isotopi Le quattro forze fondamentali Forza gravitazionale Forza elettrica Forze nucleari forte Forza nucleare debole Stabilit e radioattivit Decadimenti radioattivi Il momento magnetico del protone La risonanza magnetica

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.2

LA FISICA ATOMICA e NUCLEAREFISICA ATOMICA

Considera le propriet dellatomo intero, costituitoquindi da nucleo ed elettroni. Le propriet piimportanti riguardano i legami, mediante la condivisione di elettroni, con altri atomi (forzeelettriche). La fisica atomica studia quindisoprattutto i legami molecolari e le propriet dei composti chimici

FISICA NUCLEARE Considera le propriet del nucleo: non studia

quindi i legami elettronici tra diversi elementi ma le caratteristiche del nucleo (stabilit, decadimento, fissione, fusione, )

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.3

Z protonimp = 1.67 10-27 kgq = +e = 1.6 10-19 C

N neutronimn = 1.67 10-27 kgq = 0

Z elettronime = 9.07 10-31 kgq = -e = -1.6 10-19 C

Numero di massa:A = Z + N

Notazione: XAZ

LATOMO

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.4

LE DIMENSIONI ATOMICHE

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.5

GLI ELEMENTI CHIMICINella tavola periodica di Mendeleev gli elementi

sono ordinati in funzione di Z

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.6

Gli isotopi di un elemento hanno stesso numero di protoni Z ma diverso numero di neutroni N e quindidiverso numero di massa A

Rappresentano una stessa specie chimica ma con diversa massa

In natura uno stesso elemento si pu presentare in piisotopi che possono essere stabili (cio rimangonoimmutati nel tempo) o instabili (cio si modificanonel tempo)

Esistono isotopi prodotti artificialmente dalluomo

GLI ISOTOPI

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.7

FORZAgravitazionale

FORZA elettrostatica

N102)10(

)1067.1(1067.6

r

mmGF 34

215

22711

2pp

G

N230)10(

)106.1(109

r

qq

41

F215

2199

2pp

0E

FE FG FG FEP P

LE 4 FORZE FONDAMENTALINel nucleo I protoni risentono di forza elettrostatica e

gravitazionale: ecco un confronto eseguito per due protoni

La forza gravitazionale trascurabile in fisica nucleare!I protoni tuttavia dovrebbero respingersi violentemente

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.8

LA FORZA FORTE: la colla nucleare

Allinterno dei nuclei atomici si manifesta una ulteriorenuova forza di attrazione, capace di incollare traloro i protoni vincendo la loro repulsioneelettrostatica: la forza nucleare forte.

E sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d 10-15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.9

Idrogeno: Z=1

H11

H21

H31

Deuterio

Trizio

He22

He32

He42

Non esiste!

He52 instabile!

LA FORZA NUCLEARE DEBOLENei nuclei leggeri si vede che quando ci sono troppi o

pochi neutroni il nucleo non stabile

Elio: Z=2

instabile!

La forza nucleare non basta ancora: ci deve essereunaltra forza responsabile dei decadimentinucleari (radioattivi): la forza nucleare debole

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.10

N

Z

Un nucleo stabile se non simodifica nel tempo. Moltielementi sono stabili solocome isotopi.Nel piano Z-N la zona in cui siconcentrano gli elementistabili dettavalle della stabilita

Stabilita dei nucleiNuclei leggeri (Z 20)

N = ZNuclei pesanti (Z > 20)

N > Z

STABILITA

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.11

INSTABILITA e RADIOATTIVITA

Se un elemento instabile si modifica emettendo una particella o una radiazione (decadimento): questofenomeno detto radioattivit

Il nuovo elemento ha un diverso Z

Quali nuclei decadono? I nuclei non compresi nella valle di stabilit: nuclei con troppi protoni (Z>92) nuclei con troppi neutroni nuclei con pochi neutroni nuclei con troppa energia (fissione)

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.12

2422

42 HeYX N

AZN

AZ

+

Nuclei pesanti

eYX NA

ZNAZ 11- + +Nuclei con troppi neutroni

eYX NA

ZNAZ 11+ + +Nuclei con pochi neutroni

hXX NAZN

AZ +Spesso dopo decadimento o

DECADIMENTI RADIOATTIVI

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.13

CATENE RADIOATTIVE

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.14

1. Il nucleo dellidrogeno (ma in genere tutti i nuclei) pu essereassimilato ad una sferetta che ruota attorno ad un asse e genera un piccolo campo magnetico(momento magnetico) come una bussola

MOMENTO MAGNETICO DEL PROTONE e PRECESSIONE

2. Se si applica un campo magneticolasse compie un moto di precessione (simile al moto della terra attorno al suo asse)

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Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.15

RISONANZA MAGNETICA

4. Il nucleo a riposo ritorna alla situazionedi partenza emettendo una radiazioneche pu essere raccolta da un rivelatore esterno

3. Un nuovo opportuno campo magneticopu amplificare la precessione fino a ribaltare il momento magnetico(risonanza)