LABORATORIO DI FISICA NUCLEARE IL NUCLEO

LA STRUTTURA DEL MODULO PREREQUISITI Elettromagnetismo: forza di Coulomb, moto di cariche in campo elettrico e magnetico Dinamica degli urti elastici ed anelastici Energia di legame e buche di potenziale Fisica moderna: equivalenza tra massa ed energia, struttura atomica, spin e principio di esclusione ARTICOLAZIONE DELLE UNITA’ DIDATTICHE richiami sulle dimensioni ed i componenti del nucleo l’energia di legame e le caratteristiche della forza nucleare forte (i processi di decadimento) fissione nucleare: reazioni a catena e fisica del reattore (fusione nucleare)

RICHIAMI SULLE DIMENSIONI E LE COMPONENTI DEL NUCLEO Rutherford e le dimensioni del nucleo Lo spettro di massa di un elemento: isotopi e le particelle subnucleari Un modello nucleare sferico

UN MODELLO SFERICO: LA GOCCIA La massa è proporzionale ad A: M(A)930·A [MeV/c2] Se la densità della materia nucleare è indipendente da A allora il volume, come la massa, è proporzionale ad A: il raggio della sfera è R=roA1/3 con ro=1,5·10-15 m=1,5 fm E la densità =M/V 1,4 ·1017 kg/m3

IL MODELLO A GOCCIA Equilibrio dinamico tra Repulsione coulombiana Tensione superficiale I due termini aumentano in modo diverso con Z: Per Z=80 si equivalgono, per Z>92 (U) non esistono nuclei stabili

M(A,Z)=Zmp + (A-Z)mn –md, L’ENERGIA DI LEGAME Il difetto di massa M(A,Z)=Zmp + (A-Z)mn –md, l’energia di legame del nucleo B=md c2 l’energia di legame media per nucleone =B/A. Il difetto di massa nei legami chimici è del tutto trascurabile (pochi eV rispetto a migliaia di MeV)

ESEMPI DI ENERGIA DI LEGAME C-12: M(12,6) = 11177.24 MeV/c2 md = 6mp +6mn –M(12,6) = 92 MeV/c2 L=B/A=7,67 MeV Al-27: M(27,13) = 25131.57.24 MeV/c2 md = 13mp +14mn – M(27,13) = 229.4 MeV/c2 L= B/A=8,5 MeV Ca-40: M(40,20) = 37222.58 MeV/c2 md = 20mp +20mn – M(40,20) = 342.0 MeV/c2 L= B/A=8,55 MeV

L’ANDAMENTO DELL’ENERGIA DI LEGAME In prima approssimazione l’energia di legame media per nucleone è stabile tra 8 e 8,8 MeV La saturazione dei legami nucleari: ogni nucleone interagisce solo con quelli più vicini i nucleoni esterni contribuiscono meno all’energia di legame perché non saturano i legami nucleari Figura 1. L’andamento dell’energia di legame per nucleone in funzione di A

IL PROBLEMA DELLA STABILITA’ La stabilità dei nuclei è compromessa per Z>92 a causa della repulsione coulombiana. Potrebbero esistere nuclei pesanti, con A molto alto, ma Z<92: quindi fatti con tanti neutroni e pochi protoni che si respingono? Configurazioni di questo tipo sono sfavorite energeticamente perché comporterebbero masse troppo grandi neutrone protone

UN ECCESSO NEUTRONICO ESISTE… La rappresentazione dei nuclei stabili nel piano N-Z evidenzia un eccesso neutronico nei nuclei pesanti per compensare la repulsione coulombiana