Laboratorio di fisica nucleare “La fissione nucleare” Sis a.a. 2005/2006 Laboratorio di fisica nucleare Prof. Maina “La fissione nucleare” Burzio Flavio – Gramaglia Paola

Aspetti didattici Contesto Classe quinta di un liceo scientifico o scientifico-tecnologico Prerequisiti Elettromagnetismo Relatività: concetto relativistico di massa Obiettivi Conoscere le caratteristiche dei nuclei degli atomi e saper descrivere il processo di fissione Saper leggere e interpretare i grafici proposti Conoscere le unità di misura dell’energia e saper confrontare gli ordini di grandezza

Proprietà dei nuclei N Z A = N + Z Particella Massa Carica Protone Neutrone privo di carica Elettrone N numero di neutroni contenuti nel nucleo Z numero di protoni del nucleo (numero atomico) A = N + Z numero totale di nucleoni (numero di massa del nucleo)

Relazione tra N e Z N per valori piccoli di Z: N=Z per valori grandi di Z: discostamento tra N e Z Z

Misurazione della massa dell’atomo Spettrometro di massa Misurazione della massa dell’atomo

Neutrone Protone + elettrone Difetto di massa Esercizio Massa e difetto di massa calcolate per l’isotopo Neutrone Protone + elettrone Massa attesa per l’atomo di : Massa del trovata con lo spettrometro di massa: Difetto di massa totale del : Difetto di massa medio per ogni nucleone:

Energia di legame Difetto di massa: Energia di legame al nucleone: Unità di misura, fattore di conversione da Joule ad elettronvolt: Esercizio Energia di legame totale e al nucleone per il carbonio Energia di legame totale: Energia di legame media per nucleone:

Dipendenza tra l’energia di legame e il numero di massa

Rappresentazione intuitiva dell’energia di legame

Fissione nucleare La fissione è il processo consistente nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri I nuclei pesanti, , sono soggetti a fissione spontanea: si scindono in due nuclei anche se sono lasciati a se stessi in assenza di perturbazioni esterne Alcuni nuclei pesanti, in particolare l’uranio e il plutonio, possono venire indotti a subire la fissione dalla cattura di un neutrone

Fissione dell’uranio

Modello a goccia Assorbimento di un neutrone da parte di Stato eccitato dell’ Oscillazione instabile dell’ Scissione in due nuclei di massa intermedia ed emissione di alcuni neutroni

Energia di eccitazione Fissione dell’uranio Nucleo bersaglio Energia critica Energia di eccitazione 5,3 MeV 6,4 MeV 5,9 MeV 5,2 MeV Esercizio Energia di eccitazione del nucleo di quando cattura un neutrone Massa totale del nucleo di + neutrone: Massa del nucleo di , non eccitato: Differenza di massa: Corrispondente eccesso di energia:

Frammenti di fissione dell’uranio Un nucleo che subisce la fissione può scindersi in molti modi diversi in due frammenti di masse intermedie ed è maggiormente probabile che i due frammenti, originati dalla scissione di , siano di masse disuguali

Tipica reazione di fissione dell’uranio Secondo la particolare reazione, possono venire emessi 1, 2 o 3 neutroni Il numero medio di neutroni emessi nella fissione di è circa 2,5

Energia prodotta nella fissione Esercizio Energia termica che si sviluppa durante il processo di fissione Difetto di massa dell’uranio: Energia di legame totale dell’uranio: Difetto di massa del bario : Energia di legame totale del bario: Difetto di massa del cripto : Energia di legame totale del cripto : Energia totale prodotta nella fissione:

Confronto energetico In generale l’energia liberata in una fissione è di circa 200 MeV Energia liberata dalla fissione di 1 g di uranio: Energia liberata nella combustione di 1 g di carbonio: L’energia prodotta nella fissione dell’uranio è circa volte maggiore rispetto alla combustione