Radioattività e energia nucleare

SSIS Lazio Corsi Abilitanti 2006-2007

La RADIOATTIVITA’• La RADIOATTIVITA’ è l’emissione spontanea di particelle e/o

radiazioni dal nucleo di un atomo.• Nel 1896 Henri Becquerel notò (Analogamente a quanto osservato

nel 1895 da Roentgen) che una lastra fotografica s'anneriva se posta vicino a un minerale contenente composti dell'uranio. . Questi composti dovevano emettere perciò radiazioni capaci di depositare energia nelle lastre.

• Nel 1899 Pierre Curie e sua moglie Marie riuscirono ad estrarre dal misterioso minerale la sostanza radioattiva responsabile dello strano fenomeno, che fu chiamata Radio. Un anno dopo Ernest Rutherfordutilizzando campi magnetici classificò le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive in emissioni alfa e beta, Paul Villard individuò i raggi gamma.

• Rutherford osservò che gli atomi che emettono radiazioni alfa e beta si trasformano in atomi diversi, dotati di proprietà chimiche diverse da quelle degli atomi di partenza.

Radioattività come ‘scoperta casuale’

“.. Il 26 e il 27 febbraio [1896] mentre procedevo nelle esperienze il sole si mostrava solo a tratti e quindi decisi di riporre tutto quanto dentro un

cassetto… il 1 marzo decisi di sviluppare le lastre fotografiche aspettandomi di trovare delle immagini molto tenui. Al contrario le silhouette erano assai

marcate. Immediatamente mi resi conto che l’azione [dei sali d’uranio] continuava anche al buio” (H. Becquerel)

Elementi ‘radioattivi

•A differenza dai raggi x non possono essere ne generati ne spenti•Come i raggi x le radiazioni emesse sono molto penetranti e ‘ionizzanti’•In natura sono più frequenti tra gli elementi ‘pesanti’ (uranio, torio, ... )•Le radiazioni sono di 3 tipi diversi, a seconda del potere di penetrazione: α β γ

Nel 1911 Rutherford si servì dei raggi alfa per studiare gli atomi e concepire il modello che porta il suo nome: un "nucleo" contenente la maggior parte della massa dell'atomo, carico d'elettricitàpositiva e avente un raggio molto più piccolo di quello atomico; attorno al nucleo un certo numero d'elettroni su orbite circolari.La radioattività fu attribuita alle trasformazioni che avvengono nei nuclei degli atomi. Si concluse che la radiazione alfa è costituita da nuclei di elio (due protoni e due neutroni), la radiazione beta da elettroni (o positroni) mentre la radiazione gamma è una radiazione elettromagnetica (fotoni).

La natura de raggi α, β, γ

?08cmγ

~ e-0.05 cmβ

~ He+0.0005 cmα

q/mcaricaPenetrazionespessore di Al

Tabella di Mendeleev e Isotopi

Il numero atomico (Z), corrisponde al numero di elettroni periferici ed a quello di protoni nucleari. Definisce l’elemento e le sue proprietà chimiche e quindi la collocazione nella tavola periodica degli elementi.Il numero di massa (A), si definisce come la somma dei protoni e dei neutroni (Z + N). Nell’ambito di uno stesso elemento, A determina la differenziazione in Isotopi(elementi che possiedono identiche proprietà chimiche, ma differenti proprietàfisiche) (dal greco iso = uguale e topos = posto). Se l’isotopo è radioattivo, si parla di Radioisotopo o Radionuclide .Come unità di misura delle masse atomiche e nucleari ( u.m.a.) si è scelta la dodicesima parte della massa del carbonio-12. Nel suo nucleo sono presenti 6 protoni e 6 neutroni.Non sempre la massa di un atomo è un numero intero di volte l‘unità di misura; spesso è un numero decimale. La ragione di ciò è dovuta all'esistenza, per uno stesso elemento chimico, d'isotopi di peso diverso che contribuiscono alla massa media dell'elemento secondo la loro abbondanza in natura.

Alcune unità di misura nucleari

Le masse nucleari sono misurate in unità di masse atomiche; la massa del nucleo di carbonio-12 è definita esattamente come 12 unità di massa atomica. Per massa siintende, se non vi sono altre indicazioni, la massa di riposo. La conversione in unità

atomiche è data da:

Una conveniente unità di energia, particolarmente utile per processi atomici e nucleari, èl’energia acquistata da un elettrone accelerato da una differenza di potenziale di 1 Volt. Il

lavoro compiuto dalla forza elettrica, si trasforma in energia cinetica dell’elettrone,

2-27 MeV/ 931,494kg 101.66054u 1 c=×=

Il volume di un nucleo (lo spazio occupato dalla distribuzione di carica elettrica) è proporzionale ad A in modo che la densità di materia sia la stessa per tutti i nuclei atomici. Essa ha un valore talmente grande che se un oggetto comune fosse denso come un nucleo, un cubetto di un centimetro peserebbe 200 miliardi di kg.Protoni e neutroni sono particelle molto simili. Se si esclude la carica elettrica, essi hanno caratteristiche così somiglianti da indurre a pensare che siano due manifestazioni (stati) della stessa particella. Ecco perché si parla di nucleoni senza distinguere tra protoni e neutroni. La somiglianza tra protoni e neutroni è particolarmente accentuata se si considerano le forze nucleari, quelle cioè che si esercitano tra i componenti del nucleo. Tali forze non dipendono dalla carica elettrica dei nucleoni. La forza nucleare che si esercita tra un protone e un neutrone è esattamente la stessa di quella che si esercita tra due protoni o due neutroni.Le forze nucleari sono essenziali per la stabilità del nucleo. Se non esistesse la forza nucleare forte, la repulsione elettrostatica (100 N) allontanerebbe i protoni l'uno dall'altro rendendo impossibile l'esistenza dei nuclei.

Nei nuclei leggeri Z e N sono uguali. Quando invece Z cresce, la repulsione elettrostatica tra i protoni diventa così intensa che, affinché esistano nuclei stabili, ènecessario un elevato numero di neutroni in grado di esercitare un'interazione forte sufficiente. Per esempio, mentre l'isotopo del carbonio più abbondante in natura ha un numero uguale di protoni e neutroni (Z = N = 6 ), il Ferro ha 26 protoni e 30 neutroni. La differenza N-Z cresce man mano che si percorre la tavola periodica : il Pb-82 ha ben 116 neutroni.

La massa può essere convertita in energia secondo la relazione di Einstein:

dove c = velocità della luce. La quantità che si ottiene dallaconversione di un kilogrammo è

Il consumo medio di energia di un cittadino USA per 1 anno è circa

quindi la conversione di 1 kg di massa in energia coprirebbe il fabbisogno di circa 180.000 cittadini USA per 1 anno, oppure il fabbisogno di una città di 1

milione di abitanti per oltre 2 mesi

La conversione massa - energia

20cmE =

Joules 109)m/s10(3 kg) 1( 1628 ×=×=E

Joules 105Year US1 11×=

I nuclei sono fatti di protoni e neutroni, ma la massa del nucleo è sempre minore dellasomma delle singole masse dei protoni e neutroni che lo formano. La differenza è unamisura dell’energia di legame, che tiene il nucleo unito. Questa energia di legame puòessere calcolata a partire dalla relazione di Einstein:

Energia di legame nucleare = ( ∆m)c2

Per le particelle alpha ∆m= 0.0304 u, chedà un’energia di legame di 28.3 MeV.

L’enormità dell’energia di legamenucleare può essere meglio

apprezzata se la si confronta con l’energia di legame di un elettronein un atomo. Le energie di legame

nucleare sono dell’ordine di un milione di volte più grandi delleenergie di legame degli elettroni

negli atomi.

L’energia di legame nucleare

In tutti i sistemi fisici dove più componenti sono legati tra loro da forze di qualsiasi natura, l’energia di legame corrisponde ad un DIFETTO DI MASSA.Tuttavia, nella maggior parte dei casi, la frazione di massa sottratta ai componenti del sistema per essere convertita in energia è così piccola da poter essere trascurata. Per esempio nel sistema Terra-Sole (F. Gravitazionale) solo una parte su diecimila miliardi della massa è stata "sacrificata". In un cristallo, gli atomi hanno dovuto rinunciare a una parte su cento miliardi della loro massa per potersi legare (F. Elettromagnetica)In un atomo di idrogeno si è trasformato in energia una parte su dieci milioni della massa complessiva dell'elettrone e del protone. (F. Elettromagnetica)Il confronto fra i casi in cui intervengono l'interazione gravitazionale e l'interazione elettromagnetica, chiarisce perché la forza che tiene insieme i nucleoni sia stata denominata interazione "forte". L'energia di legame di un nucleo è quella che si deve fornire per riuscire a separare tutti i nucleoni. Un nucleo caratterizzato da una grande energia di legame risulta particolarmente stabile.

La massa che si converte in energia solo nel caso delle forze nucleari?

La fissione e la fusione possono produrre energia

La curva della energia di legame è ottenuta dividendo l’energia totale di legamenucleare per il numero di nucleoni. Il fatto che ci sia un massimo nell’andamento dellacurva in funzione della massa atomica (in corrispondenza del ferro), significa che sia la

frammentazione di nuclei pesanti (fissione) sia la combinazione di nuclei leggeri(fusione) produrrà nuclei più fortemente legati (meno massa per nucleone).

Energia prodotta nella Fissione e nella Fusione

1 unit = consumo medio di energia di un cittadino USA per 1 anno

La fusione deuterio-trizio e la fissione uranio-235 sono confrontati in termini di energialiberata. Sia l’energia per singolo evento e per kg di combustibile sono raffrontate. Sono

quindi espresse in termini del consumo medio annuale pro-capite di energia negli USA: 5 x 1011 Joules. I valori sopra riportati rappresentano la produzione totale di energia, non

quella usufruibile dai consumatori.

Energia prodotta nella Fissione e nella Fusione

Questo è il processo di fusione che avviene nel Sole ed in altre stelle che hanno unatemperatura interna minore di 15 milioni di gradi Kelvin. Un intero ciclo di reazioni

produce circa 25 MeV di energia

Fusione protone-protone

Nota che entrambe le reazioni che producono deuterio producono anche un neutrino. La misura dell’energia emesa dal Sole ed il confronto con questo modello ci permettono di

predire il numero di neutrini che dovrebbero colpire la Terra. Il fatto che i primi esperimentirivelarono solo circa un terzo di quel numero originò il cosiddetto "solar neutrino problem"

Reazioni nucleari nella catena p-p

Questo è il processo di fusione che avviene nel Sole ed in altre stelle che hanno unatemperatura interna minore di 15 millioni di gradi Kelvin. Un intero ciclo di reazioniproduce circa 25 MeV di energia. Questa descrizione della catena di reazioni fa

parte del cosiddetto “standard solar model”

Sebbene una grande energia sia richiesta per superare la barriera coulombiana ed iniziare la fusione dell’idrogeno, il rilascio di energia sarebbe così alto da

incoraggiare la continuazione delle ricerche in tale campo. La fusione dell’idrogenosulla Terra potrebbe far uso delle seguenti reazioni:

Queste reazioni sono più promettenti della fusione protone-protone che avviene nellestelle, come possibile fonte di energia. Tra queste la fusione deuterio-trizio sembra la più

favorevole ed è stata oggetto di molti esperimenti. In un reattore deuterio-deuterio, un’altra favorevole reazione potrebbe avvenire, creando un ciclo del deuterio:

Fusione dell’idrogeno

MeV 18.3H He He H 11

42

32

21 ++→+

trizio-deuterio fusione MeV 7.591n He H H

deuterio-deuterio fusione MeV 4.03 H H H H

MeV 3.27n He H H

10

42

31

21

11

31

21

21

10

32

21

21

++→+

++→+++→+