IL NUCLEO ATOMICO E L’ENERGIA NUCLEARE Struttura atomica Elementi e isotopi Forze nucleari Decadimento radioattivo Fissione e fusione L’energia nucleare Reattori nucleari Centrali nucleari La bomba atomica Le mine antiuomo Chernobyl Il nucleare in Italia P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico L’atomo Rnucleo  10-15 m = 1 fm Ratomo  10-10 m = 1 Å Z protoni mp = 1.67 • 10-27 kg q = +e = 1.6 • 10-19 C N neutroni mn = 1.67 • 10-27 kg q = 0 Z elettroni me = 9.07 • 10-31 kg q = -e = -1.6 • 10-19 C Numero di massa: A = Z + N Notazione: Ratomo  105 ! Rnucleo il nucleo è 100000 volte più piccolo dell’atomo! P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Atomi, nuclei, particelle: le loro dimensioni P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Elementi chimici Elementi chimici: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92) TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Isotopi Isotopi: stesso n.protoni Z diverso n.neutroni N (stessa specie chimica, diversa massa) stabili radioattivi (naturali e artificiali) N Stabilita’ dei nuclei: Nuclei leggeri (Z  20)  N = Z Nuclei pesanti (Z > 20)  N > Z … come si spiega? … Z P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Ma i protoni non si respingono? Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d  10-15 m). Essi risentono delle forze di: attrazione gravitazionale repulsione elettrostatica ?!? FE FG FG FE P P In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici. A MENO CHE… P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico La “colla” nucleare A MENO CHE… All’interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana. Caratteristiche della forza nucleare: E’ sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d  10-15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni ... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei... P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Guardando i nuclei leggeri... ... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Idrogeno: Z=1 Elio: Z=2 Non esiste!  instabile! Deuterio Trizio  instabile! La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un’altra forza responsabile dei decadimenti nucleari P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo? Né troppi, né troppo pochi! La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale. Quindi il rapporto tra protoni e neutroni nel nucleo non dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne che per la repulsione elettrostatica tra i protoni. Invece si verifica che in natura esistono solo nuclei leggeri (Z  20) con N  Z nuclei pesanti (Z > 20) con N > Z Altri nuclei non esistono, o – se prodotti – decadono spontaneamente dopo un certo tempo, emettendo particelle, o trasformandosi in altre specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli. N Z RADIOATTIVITA’ P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Radioattivita’ Radioattività = trasformazione spontanea o artificiale dei nuclei con emissione di radiazione corpuscolare  particelle elettromagnetica  energia N Z Quando? Nei nuclei non compresi nella “valle di stabilità”: nuclei con troppi protoni (Z>92) nuclei con troppi neutroni nuclei con pochi neutroni nuclei con troppa energia P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Decadimenti radioattivi +  Nuclei pesanti - + Nuclei con troppi neutroni + + Nuclei con pochi neutroni  + Spesso dopo decadimento  o  P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico La fissione nucleare I nuclei pesanti (Z>92), se bombardati ad es. con neutroni, tendono a decadere spezzandosi in due nuclei di massa circa metà di quella di partenza, emettendo inoltre altri neutroni, che possono provocare una reazione a catena. Nella fissione viene emessa energia: circa 200 MeV (contro i 20 eV delle reazioni chimiche) 1g di fissione  30000 kWh di energia = consumo familiare di 5 anni!!! P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

La fusione nucleare I nuclei leggeri (Z<15), in condizioni particolari (es. altissime temperature) in cui riescono ad avvicinarsi l’un l’altro a piccolissime distanze, possono fondersi a due a due in nuclei più pesanti. Nella fusione viene emessa energia: alcuni MeV (contro i 20 eV delle reazioni chimiche) Nel Sole, a ogni secondo, 564500 kg di idrogeno si convertono in 560000 kg di elio; i restanti 4500 kg diventano energia che viene irraggiata nello spazio. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Verso l’energia nucleare: le tappe Dai fenomeni naturali... 1895: Roentgen  raggi X 1896: Becquerel  radioattività naturale 1898: Curie  elementi radioattivi 1899: Rutherford  radiazioni a, b, g 1905: Einstein  E=mc2 ...ai fenomeni artificiali 1919: Rutherford  reazioni nucleari 1932: Chadwick  neutrone 1934: Curie  produzione di radioisotopi 1934: Fermi  neutroni lenti su uranio 1938: Hahn-Strassmann  fissione 1942: Fermi  reattore nucleare P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

I neutroni lenti e l’uranio 1932: scoperta del neutrone Il neutrone è neutro, e quindi non è soggetto a repulsione elettrica. Ha quindi un’elevata capacità di penetrazione nel nucleo. Bombardando nuclei di uranio con neutroni si ottengono moltissime sostanze radioattive. Se i neutroni passano attraverso sostanze particolari (moderatori: es. acqua o paraffina) che diminuiscono la loro velocità, l’effetto radioattivo aumenta molto. Inoltre vengono emessi altri neutroni che possono essere utilizzati a loro volta per continuare il processo a catena. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Reazioni a catena La fissione nucleare può avvenire con reazioni a catena. Se controllata, è una enorme sorgente di energia! Se incontrollata, ha effetti devastanti! P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Il reattore nucleare Pila di Fermi, Chicago 1942 Cubo di grafite (moderatore dei neutroni) barre di uranio barre di controllo di boro e cadmio (assorbitori dei neutroni in eccesso) Pila di Fermi, Chicago 1942 Sollevando o abbassando le barre di controllo, è possibile innescare o bloccare la reazione a catena. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Centrali nucleari Reattore protetto da una campana di rivestimento + sistema di raffreddamento in cui circola acqua. L’acqua trasformata in vapore mette in azione una turbina collegata con un alternatore che produce energia elettrica. Il vapore uscito dalla turbina passa in un condensatore dove viene raffreddato e trasformato in acqua. Quest'acqua viene di solito inviata al reattore per essere riutilizzata. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Verso la bomba Il processo di fissione realizzato da Fermi in Italia nel 1934 viene capito solo nel 1939 da Hahn e Strassmann in Germania. Negli Stati Uniti, dove Fermi e molti altri sono emigrati dopo le leggi razziali del 1938, si teme che la Germania produca la bomba atomica. I fisici europei emigrati negli Stati Uniti, con l’appoggio determinante di Einstein, convincono il presidente Roosevelt della necessità di iniziare le ricerche per costruire la bomba prima della Germania. "Se avessi saputo che i tedeschi non sarebbero riusciti a costruire la bomba atomica, non avrei mai alzato un dito.“ Albert Einstein P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Los Alamos Dicembre 1941: gli USA entrano in guerra Estate 1942: Roosevelt crea il Progetto Manhattan per le ricerche sulla bomba atomica Dicembre 1942: Fermi realizza il reattore nucleare (pila di Fermi) Marzo 1943: inizia in gran segreto la costruzione della cittadella di Los Alamos (direttore Oppenheimer) Novembre 1944: si capisce che la Germania non riuscirà ad arrivare alla bomba. Inizia il dubbio degli scienziati: non ci sono più motivi per la bomba. Primavera 1945: alcuni scienziati scrivono a Roosevelt: fermiamoci! Aprile 1945: muore Roosevelt. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Via alla bomba! Aprile 1945: Truman nuovo Presidente USA. Finisce la guerra in Europa. Il Giappone non si arrende. Giugno 1945: un gruppo di fisici (Oppenheimer, Fermi e altri) chiede di lanciare subito la bomba sul Giappone; un altro gruppo di fisici (Slizard e altri) chiede di usare la bomba solo nel deserto, a scopo dimostrativo. Truman decide per il lancio sul Giappone. Luglio 1945: pronti 2 tipi di bombe, a uranio 235 e plutonio 239. Lancio dimostrativo nel Nuovo Nessico: potenza: 20000 tonnellate di tritolo. Ultimatum al Giappone: respinto. 6 agosto 1945: Hiroshima 9 agosto 1945: Nagasaki P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico La bomba atomica Principio contrario a quello del reattore: fissione totalmente incontrollata. la bomba di Hiroshima Tempi accelerati: uso di neutroni veloci  eliminato il moderatore Si ha fissione quando l’uranio supera una certa massa critica  per “programmare” l’esplosione, il combustibile viene suddiviso in più parti, e la reazione viene innescata mediante un normale esplosivo, posto sulla testata, che fa “scontrare” le diverse parti di uranio. In base ai danni che si vogliono procurare, l’esplosione viene fatta avvenire a una certa quota, determinata da un altimetro. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Hiroshima e Nagasaki Hiroshima uranio 235 98% distruzione 70000 morti Nagasaki plutonio 239 47% distruzione 75000 morti La scienza in crisi Prima bomba: necessaria?  sgomento... Seconda bomba: inutile!  rabbia!... P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Lo sminamento umanitario L’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO. Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini). Sminamento troppo costoso: ispezione del terreno con sensori di anomalia  allarme  estrazione e neutralizzazione esplosivo tempo: > 30 minuti costo: 300-1000 $ falsi allarmi: 99 % Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale)  I terreni minati sono ricchissimi di azoto P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Il nucleare contro le mine antiuomo INFN Pavia, Padova, Bari. Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto. Reazione di cattura neutronica: 14N + n  15N + g (Eg=10.8 MeV) Metodo proposto: tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot neutroni da fissione spontanea di 252Cf rivelazione dell’energia mediante scintillatori analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni intervento umano solo dopo la conferma P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

L’energia nucleare è “buona” o “cattiva”? Come ogni cosa, ha vantaggi e svantaggi. Fissione: + facile innesco e controllo - costo e produzione combustibile forte inquinamento radioattivo pericolo di catastrofe Fusione: + disponibilità illimitata combustibile nessun inquinamento - difficile innesco (altissime temperature)  fusione fredda?... P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Energia nucleare P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Il disastro di Chernobyl Chernobyl, Ucraina, 26 aprile 1986 Per un test:interruzione del vapore + disattivazione sistemi di sicurezza reazione a catena incontrollata  energia 100 volte superiore aumento di temperatura  fusione del reattore aumento di pressione  esplosione del “tetto” incendio della grafite per 10 giorni Nube radioattiva in tutta Europa: 131I  T1/2  8 giorni 137Cs  T1/2  30 anni P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Chernobyl prima e dopo P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Il nucleare in Italia Dopo il disastro di Chernobyl, in Italia si diffonde tra l’opinione pubblica un sentimento di ostilità e di rifiuto nei confronti dell’energia nucleare: i risultati di tre referendum popolari (1987), pur riferendosi ad aspetti puramente tecnici del nucleare, sono interpretati dalla grande maggioranza delle forze politiche e dai cittadini come un netto rifiuto della politica energetica nucleare. In Italia non esistono più centrali nucleari: le 4 esistenti, a Caorso (PC), Trino (VC), Latina, Garigliano (FR), sono state smantellate, e nessun’altra verrà più costruita. Ma l’Italia deve importare una enorme quantità di energia dai Paesi vicini (es. Francia). E se avvenisse un incidente ai nostri confini... P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Il nucleare ai nostri confini Dal 1987 l'Italia ha chiuso col nucleare, ma 13 centrali straniere sono a un passo da noi. L'Anpa (Agenzia nazionale per la protezione ambientale) le considera come se fossero praticamente nel territorio italiano, per le conseguenze di un incidente sulla popolazione e sull’ambiente. Mappa delle fonti di un possibile inquinamento nucleare per l’Italia. Il nostro Paese è circondato da una serie di centrali nucleari stanziate a pochi centinaia di km dai confini. Sono evidenziati in rosso i centri di rilevamento di radiazioni che dovrebbero dare tempestivamente l’allarme in caso di incidente nucleare. P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Il nucleare in Europa P.Montagna mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico