Il nucleo dell’atomo

• Ci sono quattroi i i(f ) l

Le forzeinterazioni(forze) tra le particelle:– Gravita’Gravita– ElettroMagnetica– Nucleare Forte

l b l– Nucleare Debole

La forza nucleare forte èresponsabile del legame tra iresponsabile del legame tra inucleoni ed agisce a corto raggio.

Energia specifica di legame tra il inucleoni

La radioattività: i decadimentiLa radioattività: i decadimentiGli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabiliGli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili.Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopiartificiali sono instabili a causa di un eccesso di protoniartificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protonie/o di neutroni. Tale instabilità provoca la lorotrasformazione spontanea in altri isotopi accompagnatatrasformazione spontanea in altri isotopi accompagnatadall'emissione di particelle. Questi isotopi sono dettiisotopi radioattiviisotopi radioattivi.

Fascia di stabilità

Decadimento betaDecadimento beta

• Nel decadimento ß un neutrone (protone) nelnucleo si trasforma in un protone (neutrone).p ( )

• A non cambia• Le particelle ß sono elettroni.• L’elettrone emesso NON è un elettrone orbitale;L elettrone emesso NON è un elettrone orbitale;

NON è un elettrone già presente nel nucleoL’ l tt è d tt d t il• L’elettrone è prodotto durante il processodall’energia disponibile

Decadimento beta + e betaDecadimento beta + e beta ‐• Decadimento beta –Decadimento beta 

eXX AZ

AZ *1

• Decadimento beta +

eXX ZZ 1

• Decadimento beta +

veYY AA *• Cattura elettronica

veYY ZZ 1

• Cattura elettronica

vXeX AZ

AZ *1 vXeX ZZ 1

Decadimento betaDecadimento beta ‐

Decadimento alfaDecadimento alfa

• Per Z>83 e A>220 il decadimento alfa è favorito• Alfa molto stabile e con alta energia di legameAlfa molto stabile e con alta energia di legame

A X A 4X * Z X Z 2X esempio

222226

esempio

13622286138

22688 RnRa

Decadimento alfaDecadimento alfa

Decadimento gammaDecadimento gammaGran parte deiGran parte deidecadimenti e (nellamaggior parte dellemaggior parte dellereazioni nucleari) lascianoil nucleo in uno statoil nucleo in uno statoeccitato. Questi statidecadono tramitedecadono tramiteemissione di fotoni conenergia tipica 0 1 10MeV eenergia tipica 0.1‐10MeV elunghezze d’onda tra 104 e100 fm100 fm.

Radioattività naturaleRadioattività naturale

Tutti gli elementi sono stati creati all’interodelle stelle (eccetto H e He) da reazioninucleari. Alcuni di loro hanno vite medieche sono comparabile con l’età della terra esono quelli che in parte determinano laradioattività naturale.Un decadimento radioattivo può essereparte di una catena fino a quando non siparte di una catena fino a quando non siraggiunge un elemento stabile

Radioattività naturaleLa trasformazione di un nucleo radioattivo porta allaproduzione di un altro nucleo che può essere

Radioattività naturale

produzione di un altro nucleo, che può essereanch'esso radioattivo oppure stabile.

Questa trasformazione è chiamata decadimentoradioattivoradioattivo.

Di una determinata quantità di un elemento radioattivoDi una determinata quantità di un elemento radioattivoè praticamente impossibile stabilire in che istantedecadrà il singolo atomo ma si può prevederedecadrà il singolo atomo ma si può prevederestatisticamente il decadimento complessivo di tutti gliatomi radioattiviatomi radioattivi

Legge del decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica:statistica:

dN /dt = -N

N = numero di atomi presenti al tempo t;p p = costante di decadimento: probabilita’ che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di ogni singolo nucleo ha di decadere nell unita di tempo.

Radioattività naturale

Radioattività ‐ Datazione• Il C in natura è al 98,89 % 12C e per 1,18% 13C ambedue

stabili Il 14C è radioattivo ed è formato nell’atmosferastabili. Il C è radioattivo ed è formato nell atmosferacome risultato del bombardamento dei raggi cosmicisull’azoto dell’atmosfera. Il tempo di dimezzamento è5730 anni.

• Quando un organismo muore non è più in equilibrio conil carbone atmosferico e il suo contenuto di 14C decrescesecondo la legge del decadimento radioattivo. Pertantol’età di un campione è misurata dalla sua specifica attivitàl età di un campione è misurata dalla sua specifica attività(attività per grammo) del suo contenuto di carbonio.

La fusione nucleare

d t i triziodeuterio trizio

elio

neutrone

La fissione nucleareFissione SPONTANEA e’ meccanismo piu’ probabile solo per nuclei conA>250, altrimenti decadimento α piu’ favorito

L’unico elemento fissile presente in natura è l’uranio, costituito da una miscela diU235 ,U238 e U234. L’ U238 non è fissile mentre U235 e U234 sono fissili a neutronidi t tt l idi tutte le energie.

La fissione nucleareReazione a catena controllata, il sistema è in grado di controllare lareazione a catena, rallentando la sequenza di propagazione (o effetto valanga)del fenomeno;del fenomeno;Reazione a catena non controllata (quella utilizzata per la bomba atomica), ilsistema non è in grado di controllare l'effetto valanga della reazione che siverifica e si consuma in breve tempoverifica e si consuma in breve tempo.

In caso di massa critica, nella fissionenucleare, il naturale decadimento,radioattivo del materiale fissile determinal'avvio spontaneo di una reazione a catena chesi autosostenta a partire dai neutroni rilasciatidai precedenti eventi o processi di fissione, conconseguente emissione di grandi quantitatividi energia e radiazioni ionizzanti.

La massa critica dipende dalla concentrazione di nuclei 235U

La massa critica è di circa 5 kg per il plutonio 239 e di 10 kg per l’uranio 235;

La fissione nucleareL'uranio naturale è composto da tre isotopi:

U-238 (99,27%); U 238 (99,27%); U-235 (0,72%); U-233 (0,0006%).U 233 (0,0006%).Soltanto gli isotopi U-235 e U-233 sono fissili,

ossia danno luogo a una reazione a fissioneoss a da o uogo a u a ea o e a ss o enucleare. L'uranio U-238 è fertile, può esseretrasformato in materiale fissile plutonio 239 quandoas o a o a e a e ss e p u o o 39 qua doviene bombardato con neutroni lenti. Il processo diarricchimento dell'uranio consente di aumentare lapercentuale dell'isotopo U-235 fissile

La fissione nucleare

Modello a goccia

Assorbimento di un neutrone da parte di  U235U235

Stato eccitato dell’  U236U236U

Oscillazione instabile dell’ U236

U236

Scissione in due nuclei di massa intermedia ed emissione di alcuni neutroni

Frammenti di fissione dell’uranio

l h bi l fi i ò i d i i l i di di i i d f i diUn nucleo che subisce la fissione può scindersi in molti modi diversi in due frammenti dimasse intermedie ed è maggiormente probabile che i due frammenti, originati dallascissione di , siano di masse disuguali

Tipica reazione di fissione dell’uranio

nKrBaUUn 3 92141236235

Secondo la particolare reazione, possono venire emessi 1, 2 o 3 neutroni

Il numero medio di neutroni emessi nella fissione di è circa 2,5

Centrale nucleare

Il nocciolo o nucleo è la parte del reattore nucleare a fissione contenente le componenti del combustibile e nella quale avvengono le reazioni nucleari.