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IL NUCLEO Parte centrale dellatomo, costituita da neutroni e protoni.

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Presentazione sul tema: "IL NUCLEO Parte centrale dellatomo, costituita da neutroni e protoni."— Transcript della presentazione:

1 IL NUCLEO Parte centrale dellatomo, costituita da neutroni e protoni

2 IL NUCLEO Dimensioni atomo: m Dimensioni nucleo: m

3 IL NUCLEO Nonostante le sue dimensioni, nel nucleo è concentrata la maggior parte della massa dellatomo (circa il 99,98%)

4 IL NUCLEO Costituenti del nucleo NEUTRONI PROTONI Sono chiamati collettivamente NUCLEONI

5 IL NUCLEO NUMERO ATOMICO Z Numero di protoni nel nucleo NUMERO DI MASSA A Numero di nucleoni nel nucleo NUMERO DI NEUTRONI N

6 IL NUCLEO X A Z Simbolo chimico dellelemento Numero di massa Numero atomico

7 IL NUCLEO Le proprietà chimiche degli elementi dipendono sostanzialmente dal numero atomico

8 IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero atomico si dicono ISOTOPI

9 IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero di massa si dicono ISOBARI

10 IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero di neutroni si dicono ISOTONI

11 IL NUCLEO John Joseph Thompson Scopre lelettrone e formula il primo modello dellatomo

12 IL NUCLEO Ernest Rutherford: Scopre il nucleo

13 IL NUCLEO Rutherford bombarda una sottile lamina doro con delle particelle alpha, nuclei di Elio emessi ad alta energia da alcuni elementi radioattivi

14 IL NUCLEO Nel modello di Thompson il nucleo è troppo poco denso per poter fare da barriera alle particelle alpha

15 IL NUCLEO Schema dellesperienza di Rutherford

16 IL NUCLEO Il fatto che le particelle vengano deviate anche a grandi angoli, o perfino respinte, indica che latomo ha una parte centrale molto piccola e densa

17 IL NUCLEO LEGAME NUCLEARE FORZA FORTE E la forza che si esercita tra i quark di cui sono costituiti i nucleoni

18 IL NUCLEO CARICA DI COLORE La forza forte si esercita tra particelle dotate di carica di colore tra i fermioni: i quark tra i bosoni: i gluoni Tutte le altre particelle non risentono della forza forte

19 IL NUCLEO CARICA DI COLORE Le cariche di colore sono di tre tipi ROSSO, VERDE, BLU Con i loro opposti ANTIROSSO, ANTIVERDE, ANTIBLU

20 IL NUCLEO CARICA DI COLORE I quark possono formare combinazioni stabili solo se linsieme delle tre cariche di colore dà il bianco: ROSSO+VERDE+BLU=BIANCO ROSSO+ANTIROSSO=BIANCO ………….

21 IL NUCLEO CARICA DI COLORE I nucleoni sono formati da tre quark, uno per ciascun colore I mesoni sono formati da due quark di colore opposto e hanno vita breve

22 IL NUCLEO RAGGIO DAZIONE La forza forte è una forza molto intensa ma con un raggio dazione brevissimo. Non ha effetti su scale superiori a quelle del nucleo

23 IL NUCLEO FORZA FORTE A distanze minori di m Repulsiva A distanze di circa m Attrattiva A distanze superiori Pressoché nulla

24 IL NUCLEO n p m p p n n

25 IL NUCLEO Anche le forze interatomiche hanno le stesse caratteristiche

26 IL NUCLEO Le dimensioni del nucleo sono determinate dal raggio dazione della forza forte

27 IL NUCLEO Ogni nucleone si riserva un volume di raggio m circa Se i nucleoni fossero più lontani non ci sarebbe legame Se fossero più vicini si respingerebbero

28 IL NUCLEO Un nucleo con 8 volte più nucleoni ha un volume 8 volte maggiore e un raggio 2 volte maggiore

29 IL NUCLEO Ovvero V ÷ A r ÷ A 1/3

30 IL NUCLEO Due protoni vicini Si attraggono per effetto della forza forte Si respingono per effetto della forza elettromagnetica (cariche uguali si respingono)

31 IL NUCLEO Il complesso non può dare una struttura stabile: perché possa formarsi un nucleo un protone deve diventare neutrone pp

32 IL NUCLEO Un nucleo di soli neutroni non è stabile perché il neutrone non legato a protoni ha una vita media di circa 15 minuti n p + e - + ν e

33 IL NUCLEO In generale un nucleo, per essere stabile, deve contenere SIA NEUTRONI CHE PROTONI I nuclei LEGGERI in genere contengono tanti neutroni quanti protoni

34 IL NUCLEO Allaumentare del numero di massa la proporzione N/Z aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la stabilità

35 IL NUCLEO Allaumentare del numero di massa la proporzione N/Z aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la stabilità

36 IL NUCLEO La forza forte, che lega i nucleoni, è a breve raggio: nei nuclei di grandi dimensioni i suoi effetti non si risentono in tutto il nucleo la forza elettromagnetica, repulsiva, è a lungo raggio, quindi i suoi effetti si risentono ovunque

37 IL NUCLEO p p p p p p p p nn n n n n n n

38 Leffetto collante dei neutroni è quindi ridotto nei nuclei di grande dimensioni Serve un maggior numero di neutroni per la stabilità

39 IL NUCLEO p p p p p p p p n n n n n n n n n n n n

40 ENERGIA DI LEGAME Energia che serve per strappare un nucleone dal nucleo Si misura in MeV

41 IL NUCLEO

42 ENERGIA DI LEGAME MAGGIORE ENERGIA DI LEGAME = NUCLEO PIU STABILE

43 IL NUCLEO Si può pensare a un nucleone come ad una pallina dentro a una buca: laltezza della buca corrisponde allenergia necessaria per uscirne EbEb

44 IL NUCLEO Lenergia di legame cresce al crescere di A fino al ferro Oltre il ferro decresce al crescere di A

45 IL NUCLEO DI CONSEGUENZA I nuclei leggeri hanno un guadagno energetico aumentando il loro numero di massa (FUSIONE) I nuclei pesanti hanno un vantaggio riducendo il loro numero di massa (FISSIONE)

46 IL NUCLEO La stabilità dei nuclei rispecchia la loro abbondanza nelluniverso ElementoParti per mil. Idrogeno Elio Ossigeno Carbonio4 600 Neon1 340 Ferro1 090 Azoto950 Silicio650 Magnesio580 Zolfo440 Rimanenti650

47 IL NUCLEO Per comprendere tutto ciò bisogna tener presente che: Le forze attrattive aumentano lenergia di legame Le forze repulsive la diminuiscono La forza forte (attrattiva) è a breve raggio La forza elettrica (repulsiva) è a lungo raggio

48 IL NUCLEO In un nucleo piccolo più nucleoni si inseriscono più forte diventa il legame p p p p n n n n

49 IL NUCLEO In un nucleo grande i nucleoni non riescono più ad attrarsi tutti reciprocamente p p p p n n n n p p p p n n n n n n n

50 IL NUCLEO Così laggiunta di nuovi nucleoni non fa aumentare lenergia di legame, anzi questa diminuisce a causa della repulsione elettrica p p p p n n n n p p p p n n n n n n n

51 IL NUCLEO LIVELLI ENERGETICI I nucleoni, come gli elettroni, si dispongono su ORBITALI caratterizzati ciascuno da un valore di energia (LIVELLI ENERGETICI)

52 IL NUCLEO LIVELLI ENERGETICI Neutroni e protoni sono FERMIONI (spin = ½) Quindi su ogni orbitale può stare un numero limitato di nucleoni determinato da NUMERI QUANTICI

53 IL NUCLEO LIVELLI ENERGETICI Il livello più basso (1s) può contenere due nucleoni (neutroni o protoni) Se questi livelli sono completi il nucleo è particolarmente stabile

54 IL NUCLEO LIVELLI ENERGETICI Questo spiega leccezionale stabilità del nucleo di Elio (7 Mev di energia di legame) n n p p

55 IL NUCLEO RADIOATTIVITA Consiste nellemissione da parte del nucleo di particelle α nuclei di elio β elettroni o positroni γ fotoni di alta energia

56 IL NUCLEO Henri Becquerel scopre casualmente la radioattività nel 1896

57 IL NUCLEO I coniugi Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio

58 IL NUCLEO RADIOATTIVITA ALPHA E propria dei nuclei pesanti che, per conseguire maggiore stabilità, si liberano di nucleoni sotto forma di un nucleo di Elio

59 IL NUCLEO RADIOATTIVITA BETA E propria dei che hanno più o meno neutroni rispetto alla proporzione N/Z più stabile

60 IL NUCLEO RADIOATTIVITA BETA I nuclei con troppi neutroni tendono a liberarsene trasformandoli in protoni n p + e - + ν e

61 IL NUCLEO RADIOATTIVITA BETA I nuclei con pochi neutroni tendono ad acquisirne trasformando protoni in neutroni p + ν e n + e +

62 IL NUCLEO RADIOATTIVITA GAMMA E dovuta al fatto che, in seguito ad altri processi nucleari, qualche nucleone si trova su livelli eccitati

63 IL NUCLEO Questi nucleoni decadono sul livello fondamentale emettendo energia sotto forma di raggi gamma.

64 IL NUCLEO I tre tipi di raioattività furono determinati dal modo in cui i raggi emessi da un campione di Radio venivano deviati da un campo magnetico

65 IL NUCLEO I nuclei più pesanti del piombo tendono a trasformarsi in piombo secondo una serie di passaggi detta SERIE RADIOATTIVA Una serie radioattiva prevede tutti e tre i tipi di decadimento

66 IL NUCLEO

67 Ogni nucleo radioattivo è caratterizzato da un TEMPO DI DIMEZZAMENTO Cioè dal tempo in cui metà dei nuclei iniziali di quellelemento subisce il decadimento

68 IL NUCLEO ELEMENTOTEMPO DI DIMEZZAMENTO RADIAZIONE Americio anniAlfa Plutonio anniAlfa Radio anniAlfa Radon 2223,8 giorniAlfa Radon (Toron) 22055,6 secondiAlfa Uranio milioni di anniAlfa Uranio 2384,5 miliardi di anniAlfa Torio 23214,05 miliardi di anniAlfa Stronzio28 anniBeta Carbonio anniBeta Promezio 2,6 anniBeta Cesio anniBeta - Gamma

69 IL NUCLEO Minore è il tempo di dimezzamento, maggiore è lATTIVITA (cioè il numero di particelle emesse in un secondo) del nucleo

70 IL NUCLEO Maggiore è lattività di un nucleo, maggiore è la pericolosità di quellelemento, perché emette un flusso di radiazioni maggiore

71 IL NUCLEO Le radiazioni più PENETRANTI, e quindi più pericolose, sono quelle gamma, seguite da beta e alpha In compenso i raggi alpha e beta sono molto più IONIZZANTI dei raggi gamma

72 IL NUCLEO

73 Per approfondire largomento dei danni biologici causati dalle radiazioni si può vedere questa presentazione messa in rete dalluniversità di Cagliari

74 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE E la scissione di un nucleo pesante in più parti, dovuta allassorbimento da parte del nucleo di un neutrone

75 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE La scissione di un nucleo pesante è energeticamente favorevole perché i nuclei intermedi hanno energia di legame superiore a quelli pesanti Lenergia liberata è quasi un MeV per nucleone

76 IL NUCLEO Lise Meitner e Otto Hahn, scopritori della fissione nucleare

77 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE

78 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Le parti in cui si divide il nucleo sono due nuclei di massa intermedia, come rubidio e cesio, e due o tre neutroni

79 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Il MODELLO A GOCCIA del nucleo spiega la fissione come il risultato di un moto oscillatorio indotto nel nucleo dal neutrone

80 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE n

81 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE I neutroni liberati possono a loro volta provocare fissione in altri nuclei (REAZIONE A CATENA)

82 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Qui un nucleo di uranio 238 assorbe un neutrone da fissione e si trasforma in plutonio

83 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE I nuclei fissili sono quelli più pesanti, sostanzialmente uranio e plutonio

84 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Lisotopo fissile delluranio è il 235, meno abbondante in natura. Il 238 subisce fissione solo con neutroni molto veloci

85 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Per poter utilizzare luranio come conbustibile nucleare è necessario aumentare la percentuale di 235 (arricchimento). Infatti, nelluranio estratto in natura la percentuale di 235 è meno dell 1% e la reazione a catena non si sostiene

86 IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Reattori a fissione: arricchimento al 3% (in percentuale superiore nei reattori di nuova generazione) Bomba atomica: arricchimento all85%

87 IL NUCLEO URANIO IMPOVERITO Luranio 238 scartato nel processo di arricchimento è detto uranio impoverito. Data lelevata densità di tale elemento, quasi doppia del piombo, luranio impoverito è adatto per contrappesi, oppure per i penetratori delle armi anticarro a energia cinetica

88 IL NUCLEO I carri moderni hanno corazze che rendono quasi inutili le armi a esplosivo. Per penetrare la corazza si usano delle lance fatte di uranio impoverito che, con la loro sola energia cinetica, provocano lesplosione del carro

89 IL NUCLEO Le zone in cui sono state usate queste armi devono essere bonificate con cura, perchè la polvere di uranio inalata può essere molto dannosa alla salute

90 IL NUCLEO Enrico Fermi, costruisce la prima pila atomica e partecipa attivamente alla costruzione della prima bomba atomica

91 IL NUCLEO Il reattore di Fermi fu costruito a Chicago. Consisteva in una pila di elementi di uranio e grafite, materiale capace di rallentare i neutroni

92 IL NUCLEO Schema di un reattore: il calore prodotto nel nocciolo vaporizza lacqua che aziona le turbine collegate ad un alternatore

93 IL NUCLEO Schema di un nocciolo: le barre di controllo, quando sono inserite, catturano i neutroni e spengono la reazione a catena

94 IL NUCLEO Perchè si inneschi una reazione a catena esplosiva è necessaria la presenza di una MASSA CRITICA che per luranio è di circa 60 Kg

95 IL NUCLEO Nei reattori non si raggiunge mai la massa critica quindi questi non possono esplodere come una bomba Inoltre la maggior parte dei neutroni è catturata da barre di controllo, e quindi la reazione procede lentamente

96 IL NUCLEO Schema della prima bomba atomica La massa critica viene raggiunta comprimendo tra di loro per mezzo di un esplosivo convenzionale due masse subcritiche

97 IL NUCLEO La prima bomba atomica, little boy

98 IL NUCLEO Signore, alcuni recenti lavori di E. Fermi e L. Szilard, a me comunicati in un manoscritto, mi inducono a sospettare che le acquisizioni sull'elemento uranio possono essere impiegate in una nuova ed importante fonte di energia nel futuro immediato. Aspetti certi di questa situazione, per come si sono determinati, sembrano suggerire una particolare attenzione e, se necessario, un rapido intervento da parte dell'Amministrazione. Credo perciò che sia mio dovere portare alla Sua attenzione i fatti e le raccomandazioni seguenti. Nel corso degli scorsi quattro mesi si è reso evidente- attraverso i lavori di Joliot in Francia e di Fermi e Szilard in America- che può divenire possibile innescare una reazione nucleare a catena in una grande massa di uranio, dalla quale sarebbero generati enorme energia e grande quantità di nuovi elementi radioattivi. Ora appare quasi certo che ciò si possa ottenere nell'immediato futuro. Questo nuovo fenomeno condurrebbe anche alla costruzione di bombe, ed è concepibile- sebbene molto meno certo- che armi estremamente potenti di un tipo nuovo possono essere costruite in questo modo. Una bomba singola di questo tipo, trasportata da una barca e fatta esplodere in un porto, potrebbe distruggere non solo il porto, ma anche parte dei territori circostanti. Comunque, va verificato se tali bombe potrebbero essere troppo pesanti per il trasporto aereo. Gli Stati Uniti possiedono giacimenti minerari di uranio in modeste quantità. Ce n'è qualcuno migliore in Canada e in Cecoslovacchia, mentre la fonte più importante di uranio è il Congo belga. In vista di questa situazione Ella dovrebbe considerare auspicabile un contatto permanente tra l'amministrazione ed il gruppo di fisici che lavora sulle reazioni a catena in America. Una via possibile per raggiungere questo obiettivo potrebbe essere per Lei affidare questo compito ad una persona di Sua fiducia, che potrebbe rivestire un ruolo non ufficiale. Il suo compito potrebbe consistere in: a) avere contatti con Dipartimenti Statali, tenerli informati degli ulteriori sviluppi, proporre strategie per gli interventi dello Stato, prestando particolare attenzione al problema di assicurare un approvvigionamento di uranio agli Stati Uniti; b) accelerare il lavoro sperimentale, che risulta attualmente condizionato dai limiti di bilancio dei Laboratori di ricerca delle Università, provvedendo al rastrellamento di fondi, ove necessario, attraverso contatti con enti e privati, interessati a contribuire a questa causa, e forse anche per ottenere la cooperazione di laboratori industriali che già dispongono delle strutture necessarie. Ho saputo che la Germania ha bloccato la vendita di uranio dalle miniere ceche, avendo conquistato la Cecoslovacchia. Questa decisione repentina è stata probabilmente presa sulla base delle ricerche che il figlio del Sottosegretario di Stato Tedesco, von Weizsacker, ha avviato, al Kaiser-Wilhelm- Institute di Berlino, ricerche simili a quelle degli americani sull'uranio. Distinti saluti, Albert Einstein

99 IL NUCLEO Lecquipaggio dellaereo che la sganciò

100 IL NUCLEO Lesplosione su Hiroshima

101 IL NUCLEO Gli effetti dellesplosione

102 IL NUCLEO Robert Oppenheimer, capo del progetto Manhattan per la costruzione della prima bomba atomica

103 IL NUCLEO FUSIONE NUCLEARE E il processo per cui due nuclei leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante

104 IL NUCLEO FUSIONE NUCLEARE Il processo è energeticamente favorevole perché i nuclei leggeri hanno energia di legame inferiore a quelli di massa intermedia

105 IL NUCLEO FUSIONE NUCLEARE Perché la fusione avvenga due nuclei devono superare la repulsione elettrostatica che tende ad allontanarli Questo è possibile solo in condizioni di elevatissima temperatura e densità

106 IL NUCLEO Nella fusione di quattro protoni per formare un nucleo di Elio si ha la liberazione di circa 7 MeV per nucleone

107 IL NUCLEO Un esempio è la fusione di deuterio e trizio, in cui si forma un nucleo di elio e viene liberato un neutrone veloce

108 IL NUCLEO Nella bomba allidrogeno una piccola bomba a fissione produce le condizioni di densità e temperatura necessarie perché un nocciolo di deuterio e trizio possa arrivare alla fusione

109 IL NUCLEO Lesplosione della prima bomba H nellatollo di Bikini

110 IL NUCLEO Alcuni dei padri della bomba allidrogeno BETHE TELLER SAKHAROV ULAM

111 IL NUCLEO I coniugi Rosenberg vennero condannati a morte per spionaggio nucleare a favore dellURSS Nel 1953

112 IL NUCLEO EQUILIBRIO DEL TERRORE E la teoria secondo la quale una guerra nucleare tra grandi potenze diventa impossibile perché entrambi i contendenti ne uscirebbero totalmente distrutti

113 IL NUCLEO PRIMO COLPO Una potenza nucleare, credendosi in vantaggio rispetto allaltra, potrebbe sferrare un attacco preventivo (primo colpo) che ne annienti del tutto le capacità offensive)

114 IL NUCLEO MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD) La garanzia dellequilibrio del terrore è che, anche in caso di un devastante primo colpo, la potenza aggredita conservi la capacità di distruggere completamente laggressore

115 IL NUCLEO MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD) In questa logica lo scopo delle armi nucleari non è quello di colpire obiettivi militari ma di produrre la massima distruzione possibile

116 IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI Il mantenimento dellequilibrio richiede che ognuno dei contendenti abbia sempre un numero di armi molto superiore a quello che sarebbe necessario Questo, negli anni 80, innescò una corsa agli armamenti che fu una delle cause del tracollo economico dellURSS

117 IL NUCLEO MOVIMENTO PACIFISTA Scienziati, filosofi e intellettuali si adoperarono per il disarmo nucleare già a partire dalla fine degli anni quaranta. Tra i nome più illustri Albert Einstein e Bertrand Russell

118 IL NUCLEO MOVIMENTO PACIFISTA Nel film Il dottor Stranamore (1963) il registra inglese Stanley Kubrick rappresenta lo scoppio di un conflitto nucleare portando allattenzione del grande pubblico il problema della corsa agli armamenti

119 IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI Questo fece temere, verso la metà degli anni 80, che lo scoppio di un conflitto nucleare tra superpotenze fosse non solo possibile ma anche imminente

120 IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI Il film per la tv The day after (1983) di Nicholas Meyer fu la più realistica rappresentazione delle conseguenze di un conflitto atomico ed ebbe una vasta influenza sullopinione pubblica

121 IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI Uno degli episodi culminanti della guerra fredda fu lo schieramento di missili dotati di testata nucleare in Sicilia, cioè a pochi minuti di volo dallURSS, in risposta allanalogo schieramento di missili da parte sovietica in Germania Est

122 IL NUCLEO Le proteste contro lo schieramento dei missili a Comiso

123 IL NUCLEO Nel 1987 il presidente Reagan e il segretario del PCUS Gorbaciov firmarono un trattato per lo smantellamento dei missili in europa

124 IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI I missili furono schierati nel 1983 e ritirati nel 1991, anno in cui la guerra fredda si era ormai conclusa con la dissoluzione del blocco sovietico

125 IL NUCLEO ARMI NUCLEARI NEL MONDO (testate) Russia USA 9900 Francia 350 Cina 200 Israele 80 Pakistan 60 India 50 Corea del nord 2?


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