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

Le forze nucleari Forza nucleare di interazione forte Forza attrattiva di interazione forte tra protoni e neutroni Natura non elettrica Natura non gravitazionale Si manifesta tra nucleoni (protoni o neutroni) Raggio d’azione 10-15 cm Ordine di grandezza 5 Me V

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

Le forze nucleari -ipotesi grafica-

Le forze nucleari Forza nucleare di interazione debole Scoperta da Enrico Fermi nel 1933 Avviene fra elettroni e nucleoni 105 volte inferiore alla forza nucleare di interazione forte Provoca il decadimento β

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

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

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

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

Il decadimento radioattivo α 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)

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)

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. Il decadimento β può avvenire attraverso la trasformazione di un protone in neutrone + e+ + νe

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

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

Le leggi del decadimento In termini più generali se N è il numero di nuclei superstiti al tempo t, No è il numero di nuclei all’istante iniziale, vale la relazione: N= No·e-λt Tempo di dimezzamento: tempo dopo il quale N= No/2

Applicazioni delle leggi del decadimento 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. L’uranio decadrà completamente in 50 miliardi di anni.

Le famiglie radioattive 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

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

Le famiglie radioattive -grafico-

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

Radioattività artificiale 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 Consiste in un bombardamento del nucleo a mezzo di neutroni Perché i neutroni?

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

Esempi di radioattività artificiale Es. U238(z=92)+n si trasforma in U239(z=92)+ γ U239(z=92) si trasforma in nettunio Np239(z=93)+ β- Np239(z=93) si trasforma in plutonio Pu239(z=94)+ β- Il plutonio infine si disintegra per emissione α

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

La fissione nucleare Consiste nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei di massa intermedia Fissione dell’uranio 235: U235 cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutroni

La fissione nucleare grafico

La fissione nucleare I neutroni emessi possono provocare la fissione di altri nuclei di uranio U235. Nel processo si libera una gran quantità di energia (difetto di massa): energia cinetica delle particelle generate + energia della radiazione elettromagnetica emessa.

La fissione nucleare 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. Reazione a catena: la massa di uranio non deve essere inferiore ad una quantità detta massa critica

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

La fissione nucleare Le due masse, singolarmente inferiori alla massa critica, in seguito all’esplosione 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…

La fissione nucleare

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 Nuclei a distanza <10-12 cm Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche: occorre fornire energia cinetica per l’avvicinamento

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

Esempi di fusione nucleare 1 atomo di deuterio H2 e 1 di trizio H3 si fondono: H2 + H3 =He4 (3.5Mev)+n(14.Mev) Reazioni nucleari avvengono nel Sole 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.

La fusione nucleare 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. Fusione fredda: 1989 Fleshmann e Pons – tecniche elettrochimiche a temperatura ambiente…presenta forti dubbi

bibliografia Ugo amaldi -Fisica modera-Zanichelli