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

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Presentazione sul tema: "1 ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE a cura di VITO CARLOMAGNO E MARIA ROSARIA MACERA."— Transcript della presentazione:

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

2 2 Le forze nucleari Forza nucleare di interazione forte Forza attrattiva di interazione forte Forza attrattiva di interazione forte tra protoni e neutroni tra protoni e neutroni Natura non elettrica Natura non elettrica Natura non gravitazionale Natura non gravitazionale Si manifesta tra nucleoni Si manifesta tra nucleoni (protoni o neutroni) (protoni o neutroni) Raggio dazione cm Raggio dazione cm Ordine di grandezza 5 Me V Ordine di grandezza 5 Me V

3 3 Le forze nucleari NOTE STORICHE Hideki Yukawa (1935) Hideki Yukawa (1935) Ipotesi del mesone (massa 300 m e ) Ipotesi del mesone (massa 300 m e ) Le forze nucleari dovute a scambi di mesoni Le forze nucleari dovute a scambi di mesoni

4 4 Le forze nucleari -ipotesi grafica-

5 5 Le forze nucleari Forza nucleare di interazione debole Scoperta da Enrico Fermi nel 1933 Scoperta da Enrico Fermi nel 1933 Avviene fra elettroni e nucleoni Avviene fra elettroni e nucleoni 10 5 volte inferiore alla forza nucleare di interazione forte 10 5 volte inferiore alla forza nucleare di interazione forte Provoca il decadimento β Provoca il decadimento β

6 6 La radioattività naturale È un fenomeno di emissione di particelle È un fenomeno di emissione di particelle Provoca stabilità ed instabilità di nuclei di particolari elementi Provoca stabilità ed instabilità di nuclei di particolari elementi Utilizza la max energia di legame Utilizza la max energia di legame Tende a ridurre il numero di protoni o di elettroni >>>>>>per la stabilità Tende a ridurre il numero di protoni o di elettroni >>>>>>per la stabilità (fenomeno di decadimento) (fenomeno di decadimento)

7 7 La scoperta della radioattività 1896 Henri Becquerel Henri Becquerel. Lastre fotografiche e Sali di uranio Lastre fotografiche e Sali di uranio Fenomeno spontaneo Fenomeno spontaneo Marie e Pierre Curie Marie e Pierre Curie Scoperta di nuovi elementi radioattivi Scoperta di nuovi elementi radioattivi Polonio e radio Polonio e radio Nobel 1903 Nobel 1903 M. Curie morì nel 1934 (67) M. Curie morì nel 1934 (67)

8 8 Il decadimento radioattivo Il termine radioattivo deriva dalle caratteristiche del radio Il termine radioattivo deriva dalle caratteristiche del radio Di un nucleo che dà luogo a processi radioattivi si dice che decade Di un nucleo che dà luogo a processi radioattivi si dice che decade Decadimento di tre tipi: Decadimento di tre tipi: emissione di particelle α emissione di particelle β emissione di particelle γ

9 9 Il decadimento radioattivo I decadimenti α e β sono accompagnati dallemissione di raggi γ ossia radiazione elettromagnetica di alta frequenza. I decadimenti α e β sono accompagnati dallemissione di raggi γ ossia radiazione elettromagnetica di alta frequenza. Hanno diversa capacità penetrante. Hanno diversa capacità penetrante.

10 10 Il decadimento radioattivo α Nel decadimento α un nucleo perde 2 protoni e 2 neutroni Nel decadimento α un nucleo perde 2 protoni e 2 neutroni Esso si trasforma in un nucleo di massa inferiore di 4 unità ed emette la particella α costituita da 1 nucleo di elio (massa 4 volte la massa del nucleo di H e carica doppia di e) Esso si trasforma in un nucleo di massa inferiore di 4 unità ed emette la particella α costituita da 1 nucleo di elio (massa 4 volte la massa del nucleo di H e carica doppia di e)

11 11 Esempi di decadimento α Esempi di decadimento α Radio (A=226, Z=88) si trasforma in Radon (A=224, Z=86) + Elio (A=4, Z=2) Radiazione α >>>>>>> Elio (He)

12 12 Il decadimento radioattivo β Nel decadimento β un nucleo emette semplicemente un elettrone (o un positrone – elettrone positivo) e una particella detta neutrino di massa nulla e velocità c. Nel decadimento β un nucleo emette semplicemente un elettrone (o un positrone – elettrone positivo) e una particella detta neutrino di massa nulla e velocità c. Il decadimento β può avvenire attraverso la trasformazione di un protone in neutrone + e + + ν e Il decadimento β può avvenire attraverso la trasformazione di un protone in neutrone + e + + ν e

13 13 Esempi di decadimento β Piombo (A=210, Z=82) si trasforma in Bismuto(A=210, Z=83) + e - +ν e Interpretazione: Un neutrone si trasforma in un protone + e - + ν e Interpretazione: Un neutrone si trasforma in un protone + e - + ν e In tal modo si giustifica che A resta 210 e Z diventa 82+1=83. In tal modo si giustifica che A resta 210 e Z diventa 82+1=83.

14 14 Le leggi del decadimento La legge secondo la quale i nuclei decadono vale per qualsiasi tipo di nucleo La legge secondo la quale i nuclei decadono vale per qualsiasi tipo di nucleo dN=- λ Ndt dove N è il numero di nuclei e λ è detta costante di decadimento radioattivo dN=- λ Ndt dove N è il numero di nuclei e λ è detta costante di decadimento radioattivo τ=1/ λ è detta vita media del nucleo. τ=1/ λ è detta vita media del nucleo.

15 15 Le leggi del decadimento In termini più generali se N è il numero di nuclei superstiti al tempo t, N o è il numero di nuclei allistante iniziale, vale la relazione: In termini più generali se N è il numero di nuclei superstiti al tempo t, N o è il numero di nuclei allistante iniziale, vale la relazione: N= N o ·e - λt N= N o ·e - λt Tempo di dimezzamento: tempo dopo il quale N= N o /2 Tempo di dimezzamento: tempo dopo il quale N= N o /2

16 16 1Kg di uranio 238>>>1/2 Kg decade in 4,5 miliardi di anni. 1Kg di uranio 238>>>1/2 Kg decade in 4,5 miliardi di anni. Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri 4,5 miliardi di anni. Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri 4,5 miliardi di anni. Luranio decadrà completamente in 50 miliardi di anni. Luranio decadrà completamente in 50 miliardi di anni. Applicazioni delle leggi del decadimento

17 17 Le famiglie radioattive Un nucleo soggetto a radiazione passa da uno stato di instabilità ad uno di maggiore stabilità, ma può essere trasformato ulteriormente. Un nucleo soggetto a radiazione passa da uno stato di instabilità ad uno di maggiore stabilità, ma può essere trasformato ulteriormente. Gli elementi radioattivi sono classificati in famiglie aventi un capostipite e una serie di discendenti Gli elementi radioattivi sono classificati in famiglie aventi un capostipite e una serie di discendenti

18 18 Le famiglie radioattive Tre famiglie radioattive naturali Tre famiglie radioattive naturali Capostipiti Capostipiti Uranio 238 Uranio 238 Torio 232 Torio 232 e Uranio 235 Uranio 235

19 19 Le famiglie radioattive -grafico-

20 20 Particolari famiglie radioattive Piombo 206 in rocce antiche della Terra Piombo 206 in rocce antiche della Terra Pari quantità di Uranio 238 Pari quantità di Uranio 238 Metà Uranio>>>Piombo Metà Uranio>>>Piombo Si può risalire alletà della Terra Si può risalire alletà della Terra Il tempo di dimezzamento delluranio è 4,5 miliardi di anni: età della Terra Il tempo di dimezzamento delluranio è 4,5 miliardi di anni: età della Terra

21 21 Radioattività artificiale Oltre agli isotopi radioattivi naturali si possono produrre isotopi artificiali Oltre agli isotopi radioattivi naturali si possono produrre isotopi artificiali Un atomo stabile è trasformato in un atomo instabile attraverso un processo detto di trasmutazione artificiale Un atomo stabile è trasformato in un atomo instabile attraverso un processo detto di trasmutazione artificiale Consiste in un bombardamento del nucleo a mezzo di neutroni Consiste in un bombardamento del nucleo a mezzo di neutroni Perché i neutroni? Perché i neutroni?

22 22 Radioattività artificiale Un nucleo che cattura un neutrone diventa instabile>>>fase di emissione radioattiva Un nucleo che cattura un neutrone diventa instabile>>>fase di emissione radioattiva

23 23 Esempi di radioattività artificiale Es. U 238 (z=92)+n si trasforma in Es. U 238 (z=92)+n si trasforma in U 239 (z=92)+ γ U 239 (z=92)+ γ U 239 (z=92) si trasforma in nettunio U 239 (z=92) si trasforma in nettunio Np 239 (z=93)+ β - Np 239 (z=93) si trasforma in plutonio Pu 239 (z=94)+ β - Np 239 (z=93) si trasforma in plutonio Pu 239 (z=94)+ β - Il plutonio infine si disintegra per emissione α Il plutonio infine si disintegra per emissione α

24 24 Fall-out Inquinamento Inquinamento Maggiore è il tempo di dimezzamento maggiore è il danno che ne deriva Maggiore è il tempo di dimezzamento maggiore è il danno che ne deriva Stronzio 90 chimicamente simile al calcio: presente nel latte Stronzio 90 chimicamente simile al calcio: presente nel latte Insorgere di leucemia e cancro Insorgere di leucemia e cancro Fall-out: ricaduta di materiale radioattivo a seguito di esplosione di bombe nucleari Fall-out: ricaduta di materiale radioattivo a seguito di esplosione di bombe nucleari

25 25 La fissione nucleare Consiste nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei di massa intermedia Consiste nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei di massa intermedia Fissione delluranio 235: U 235 cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutroni Fissione delluranio 235: U 235 cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutroni

26 26 La fissione nucleare grafico

27 27 La fissione nucleare I neutroni emessi possono provocare la fissione di altri nuclei di uranio U 235. I neutroni emessi possono provocare la fissione di altri nuclei di uranio U 235. Nel processo si libera una gran quantità di energia (difetto di massa): energia cinetica delle particelle generate + energia della radiazione elettromagnetica emessa. Nel processo si libera una gran quantità di energia (difetto di massa): energia cinetica delle particelle generate + energia della radiazione elettromagnetica emessa.

28 28 La fissione nucleare Tale energia liberata riscalda la massa di uranio circostante elevandone la temperatura. Tale energia liberata riscalda la massa di uranio circostante elevandone la temperatura. 1 kg di uranio libera energia pari a quella di 20 milioni di litri di benzina: 20 miliardi di calorie. 1 kg di uranio libera energia pari a quella di 20 milioni di litri di benzina: 20 miliardi di calorie. Reazione a catena: la massa di uranio non deve essere inferiore ad una quantità detta massa critica Reazione a catena: la massa di uranio non deve essere inferiore ad una quantità detta massa critica

29 29 La fissione nucleare Lenergia può essere liberata in un tempo brevissimo: processo sul quale si basa la bomba atomica (bomba A). Lenergia può essere liberata in un tempo brevissimo: processo sul quale si basa la bomba atomica (bomba A). Lenergia può essere liberata in modo controllato rendendo possibile lo sfruttamento per produrre energia utilizzabile: i reattori nucleari. Lenergia può essere liberata in modo controllato rendendo possibile lo sfruttamento per produrre energia utilizzabile: i reattori nucleari.

30 30 La fissione nucleare Le due masse, singolarmente inferiori alla massa critica, in seguito allesplosione sono spinte al centro dove unendosi superano la massa critica. Il neutroni emessi innescano quindi la reazione a catena. Solo una minima parte di uranio subisce la fissione…

31 31 La fissione nucleare

32 32 La fusione nucleare Processo nel quale due nuclei leggeri si uniscono liberando energia: il nucleo prodotto ha massa minore della somma delle masse dei nuclei originari Processo nel quale due nuclei leggeri si uniscono liberando energia: il nucleo prodotto ha massa minore della somma delle masse dei nuclei originari Nuclei a distanza < cm Nuclei a distanza < cm Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche: occorre fornire energia cinetica per lavvicinamento Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche: occorre fornire energia cinetica per lavvicinamento

33 33 La fusione nucleare Si riscaldano i nuclei con una esplosione di bomba A (innesco) Si riscaldano i nuclei con una esplosione di bomba A (innesco) Temperatura elevata a milioni di gradi notevole aumento delloscillazione termica: i nuclei si avvicinano fino a interagire (interazione forte) inizia il processo di fusione Temperatura elevata a milioni di gradi notevole aumento delloscillazione termica: i nuclei si avvicinano fino a interagire (interazione forte) inizia il processo di fusione

34 34 Esempi di fusione nucleare 1 atomo di deuterio H 2 e 1 di trizio H 3 si fondono: H 2 + H 3 =He 4 (3.5M ev )+n(14.M ev ) 1 atomo di deuterio H 2 e 1 di trizio H 3 si fondono: H 2 + H 3 =He 4 (3.5M ev )+n(14.M ev ) Reazioni nucleari avvengono nel Sole Reazioni nucleari avvengono nel Sole Energia liberata 10 volte superiore a quella della fissione nucleare. Energia liberata 10 volte superiore a quella della fissione nucleare. Reazione nucleare = energia pulita? Non ci sono scorie radioattive, ma provocherebbe un innalzamento della temperatura del globo. Reazione nucleare = energia pulita? Non ci sono scorie radioattive, ma provocherebbe un innalzamento della temperatura del globo.

35 35 La fusione nucleare Problemi tecnologici: occorrono contenitori in grado di non fondersi a temperature di milioni di gradi Problemi tecnologici: occorrono contenitori in grado di non fondersi a temperature di milioni di gradi Tokamak = campo magnetico toroidale; esso confinerebbe il gas (nuclei di Elio,…) senza ricorrere a cotenitori tradizionali. Tokamak = campo magnetico toroidale; esso confinerebbe il gas (nuclei di Elio,…) senza ricorrere a cotenitori tradizionali. Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons – tecniche elettrochimiche a temperatura ambiente…presenta forti dubbi Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons – tecniche elettrochimiche a temperatura ambiente…presenta forti dubbi

36 36 bibliografia Ugo amaldi -Fisica modera- Zanichelli Ugo amaldi -Fisica modera- Zanichelli


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