Parte centrale dell’atomo, costituita da neutroni e protoni IL NUCLEO Parte centrale dell’atomo, costituita da neutroni e protoni
Dimensioni atomo: 10-10m Dimensioni nucleo: 10-15m IL NUCLEO Dimensioni atomo: 10-10m Dimensioni nucleo: 10-15m
IL NUCLEO Nonostante le sue dimensioni, nel nucleo è concentrata la maggior parte della massa dell’atomo (circa il 99,98%)
IL NUCLEO Costituenti del nucleo NEUTRONI PROTONI Sono chiamati collettivamente NUCLEONI
IL NUCLEO NUMERO ATOMICO Z Numero di protoni nel nucleo NUMERO DI MASSA A Numero di nucleoni nel nucleo NUMERO DI NEUTRONI N
X A Z IL NUCLEO Numero di massa Simbolo chimico dell’elemento Numero atomico
IL NUCLEO Le proprietà chimiche degli elementi dipendono sostanzialmente dal numero atomico
I nuclei con lo stesso numero atomico si dicono ISOTOPI IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero atomico si dicono ISOTOPI
I nuclei con lo stesso numero di massa si dicono ISOBARI IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero di massa si dicono ISOBARI
I nuclei con lo stesso numero di neutroni si dicono ISOTONI IL NUCLEO I nuclei con lo stesso numero di neutroni si dicono ISOTONI
Scopre l’elettrone e formula il primo modello dell’atomo IL NUCLEO John Joseph Thompson Scopre l’elettrone e formula il primo modello dell’atomo
Ernest Rutherford: Scopre il nucleo
IL NUCLEO Rutherford bombarda una sottile lamina d’oro con delle particelle alpha, nuclei di Elio emessi ad alta energia da alcuni elementi radioattivi
IL NUCLEO Nel modello di Thompson il nucleo è troppo poco denso per poter fare da barriera alle particelle alpha
Schema dell’esperienza di Rutherford IL NUCLEO Schema dell’esperienza di Rutherford
IL NUCLEO Il fatto che le particelle vengano deviate anche a grandi angoli, o perfino respinte, indica che l’atomo ha una parte centrale molto piccola e densa
IL NUCLEO LEGAME NUCLEARE FORZA FORTE E’ la forza che si esercita tra i quark di cui sono costituiti i nucleoni
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
IL NUCLEO CARICA DI COLORE Le cariche di colore sono di tre tipi ROSSO, VERDE, BLU Con i loro opposti ANTIROSSO, ANTIVERDE, ANTIBLU
IL NUCLEO CARICA DI COLORE I quark possono formare combinazioni stabili solo se l’insieme delle tre cariche di colore dà il bianco: ROSSO+VERDE+BLU=BIANCO ROSSO+ANTIROSSO=BIANCO ………….
I nucleoni sono formati da tre quark, uno per ciascun colore 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
IL NUCLEO RAGGIO D’AZIONE La forza forte è una forza molto intensa ma con un raggio d’azione brevissimo. Non ha effetti su scale superiori a quelle del nucleo
IL NUCLEO FORZA FORTE A distanze minori di 10-15m Repulsiva A distanze di circa 10-15m Attrattiva A distanze superiori Pressoché nulla
IL NUCLEO n p n p n p 10-15 m
Anche le forze interatomiche hanno le stesse caratteristiche IL NUCLEO Anche le forze interatomiche hanno le stesse caratteristiche
IL NUCLEO Le dimensioni del nucleo sono determinate dal raggio d’azione della forza forte
Ogni nucleone si riserva un volume di raggio 10-15m circa IL NUCLEO Ogni nucleone si riserva un volume di raggio 10-15m circa Se i nucleoni fossero più lontani non ci sarebbe legame Se fossero più vicini si respingerebbero
IL NUCLEO Un nucleo con 8 volte più nucleoni ha un volume 8 volte maggiore e un raggio 2 volte maggiore
IL NUCLEO Ovvero V ÷ A r ÷ A1/3
IL NUCLEO Due protoni vicini Si attraggono per effetto della forza forte Si respingono per effetto della forza elettromagnetica (cariche uguali si respingono)
IL NUCLEO Il complesso non può dare una struttura stabile: perché possa formarsi un nucleo un protone deve diventare neutrone p p
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- + νe
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
IL NUCLEO All’aumentare del numero di massa la proporzione N/Z aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la stabilità
IL NUCLEO All’aumentare del numero di massa la proporzione N/Z aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la stabilità
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
IL NUCLEO p n n n p p p n n p n n n p p p
Serve un maggior numero di neutroni per la stabilità IL NUCLEO L’effetto “collante” dei neutroni è quindi ridotto nei nuclei di grande dimensioni Serve un maggior numero di neutroni per la stabilità
IL NUCLEO n p n n n p p n p n n n p n p p n n n p
Energia che serve per strappare un nucleone dal nucleo IL NUCLEO ENERGIA DI LEGAME Energia che serve per strappare un nucleone dal nucleo Si misura in MeV
IL NUCLEO
ENERGIA DI LEGAME MAGGIORE ENERGIA DI LEGAME = NUCLEO PIU’ STABILE IL NUCLEO ENERGIA DI LEGAME MAGGIORE ENERGIA DI LEGAME = NUCLEO PIU’ STABILE
IL NUCLEO Si può pensare a un nucleone come ad una pallina dentro a una buca: l’altezza della buca corrisponde all’energia necessaria per uscirne Eb
IL NUCLEO L’energia di legame cresce al crescere di A fino al ferro Oltre il ferro decresce al crescere di A
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)
La stabilità dei nuclei rispecchia la loro abbondanza nell’universo IL NUCLEO Elemento Parti per mil. Idrogeno 739 000 Elio 240 000 Ossigeno 10 700 Carbonio 4 600 Neon 1 340 Ferro 1 090 Azoto 950 Silicio 650 Magnesio 580 Zolfo 440 Rimanenti La stabilità dei nuclei rispecchia la loro abbondanza nell’universo
Per comprendere tutto ciò bisogna tener presente che: IL NUCLEO Per comprendere tutto ciò bisogna tener presente che: Le forze attrattive aumentano l’energia di legame Le forze repulsive la diminuiscono La forza forte (attrattiva) è a breve raggio La forza elettrica (repulsiva) è a lungo raggio
IL NUCLEO In un nucleo piccolo più nucleoni si inseriscono più forte diventa il legame p n p p n n n p
IL NUCLEO In un nucleo grande i nucleoni non riescono più ad attrarsi tutti reciprocamente p n n p p n n p p n n p n n p p n n n
IL NUCLEO Così l’aggiunta di nuovi nucleoni non fa aumentare l’energia di legame, anzi questa diminuisce a causa della repulsione elettrica p n n p p n n p p n n p n n p p n n n
IL NUCLEO LIVELLI ENERGETICI I nucleoni, come gli elettroni, si dispongono su ORBITALI caratterizzati ciascuno da un valore di energia (LIVELLI ENERGETICI)
Neutroni e protoni sono 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
Se questi livelli sono completi il nucleo è particolarmente stabile LIVELLI ENERGETICI Il livello più basso (1s) può contenere due nucleoni (neutroni o protoni) Se questi livelli sono completi il nucleo è particolarmente stabile
IL NUCLEO n n LIVELLI ENERGETICI Questo spiega l’eccezionale stabilità del nucleo di Elio (7 Mev di energia di legame) p n n p
Consiste nell’emissione da parte del nucleo di particelle IL NUCLEO RADIOATTIVITA’ Consiste nell’emissione da parte del nucleo di particelle α nuclei di elio β elettroni o positroni γ fotoni di alta energia
Henri Becquerel scopre casualmente la radioattività nel 1896 IL NUCLEO Henri Becquerel scopre casualmente la radioattività nel 1896
I coniugi Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio IL NUCLEO I coniugi Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio
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
IL NUCLEO RADIOATTIVITA’ BETA E’ propria dei che hanno più o meno neutroni rispetto alla proporzione N/Z più stabile
IL NUCLEO RADIOATTIVITA’ BETA I nuclei con troppi neutroni tendono a liberarsene trasformandoli in protoni n → p + e- + νe
IL NUCLEO RADIOATTIVITA’ BETA I nuclei con pochi neutroni tendono ad acquisirne trasformando protoni in neutroni p + νe → n + e+
IL NUCLEO RADIOATTIVITA’ GAMMA E’ dovuta al fatto che, in seguito ad altri processi nucleari, qualche nucleone si trova su livelli eccitati
IL NUCLEO Questi nucleoni decadono sul livello fondamentale emettendo energia sotto forma di raggi gamma.
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
Una serie radioattiva prevede tutti e tre i tipi di decadimento 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
IL NUCLEO
Ogni nucleo radioattivo è caratterizzato da un IL NUCLEO Ogni nucleo radioattivo è caratterizzato da un TEMPO DI DIMEZZAMENTO Cioè dal tempo in cui metà dei nuclei iniziali di quell’elemento subisce il decadimento
IL NUCLEO ELEMENTO TEMPO DI DIMEZZAMENTO RADIAZIONE Americio 241 432 anni Alfa Plutonio 239 24400 anni Radio 226 1600 anni Radon 222 3,8 giorni Radon (Toron) 220 55,6 secondi Uranio 235 700 milioni di anni Uranio 238 4,5 miliardi di anni Torio 232 14,05 miliardi di anni Stronzio 28 anni Beta Carbonio 14 5730 anni Promezio 2,6 anni Cesio 137 30 anni Beta - Gamma
IL NUCLEO Minore è il tempo di dimezzamento, maggiore è l’ATTIVITA’ (cioè il numero di particelle emesse in un secondo) del nucleo
IL NUCLEO Maggiore è l’attività di un nucleo, maggiore è la pericolosità di quell’elemento, perché emette un flusso di radiazioni maggiore
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
IL NUCLEO
IL NUCLEO Per approfondire l’argomento dei danni biologici causati dalle radiazioni si può vedere questa presentazione messa in rete dall’università di Cagliari
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE E’ la scissione di un nucleo pesante in più parti, dovuta all’assorbimento da parte del nucleo di un neutrone
L’energia liberata è quasi un MeV per nucleone 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 L’energia liberata è quasi un MeV per nucleone
Lise Meitner e Otto Hahn, scopritori della fissione nucleare IL NUCLEO Lise Meitner e Otto Hahn, scopritori della fissione nucleare
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE
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
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
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE n
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE I neutroni liberati possono a loro volta provocare fissione in altri nuclei (REAZIONE A CATENA)
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Qui un nucleo di uranio 238 assorbe un neutrone da fissione e si trasforma in plutonio
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE I nuclei fissili sono quelli più pesanti, sostanzialmente uranio e plutonio
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE L’isotopo fissile dell’uranio è il 235, meno abbondante in natura. Il 238 subisce fissione solo con neutroni molto veloci
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Per poter utilizzare l’uranio come conbustibile nucleare è necessario aumentare la percentuale di 235 (arricchimento). Infatti, nell’uranio estratto in natura la percentuale di 235 è meno dell 1% e la reazione a catena non si sostiene
IL NUCLEO FISSIONE NUCLEARE Reattori a fissione: arricchimento al 3% (in percentuale superiore nei reattori di nuova generazione) Bomba atomica: arricchimento all’85%
IL NUCLEO URANIO IMPOVERITO L’uranio 238 scartato nel processo di arricchimento è detto uranio impoverito. Data l’elevata densità di tale elemento, quasi doppia del piombo, l’uranio impoverito è adatto per contrappesi, oppure per i penetratori delle armi anticarro a energia cinetica
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 l’esplosione del carro
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
IL NUCLEO Enrico Fermi, costruisce la prima pila atomica e partecipa attivamente alla costruzione della prima bomba atomica
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
IL NUCLEO Schema di un reattore: il calore prodotto nel nocciolo vaporizza l’acqua che aziona le turbine collegate ad un alternatore
IL NUCLEO Schema di un nocciolo: le barre di controllo, quando sono inserite, catturano i neutroni e spengono la reazione a catena
che per l’uranio è di circa 60 Kg IL NUCLEO Perchè si inneschi una reazione a catena esplosiva è necessaria la presenza di una MASSA CRITICA che per l’uranio è di circa 60 Kg
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
Schema della prima bomba atomica 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
La prima bomba atomica, “little boy” IL NUCLEO La prima bomba atomica, “little boy”
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
L’ecquipaggio dell’aereo che la sganciò IL NUCLEO L’ecquipaggio dell’aereo che la sganciò
L’esplosione su Hiroshima IL NUCLEO L’esplosione su Hiroshima
Gli effetti dell’esplosione IL NUCLEO Gli effetti dell’esplosione
IL NUCLEO Robert Oppenheimer, capo del progetto Manhattan per la costruzione della prima bomba atomica
IL NUCLEO FUSIONE NUCLEARE E’ il processo per cui due nuclei leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante
IL NUCLEO FUSIONE NUCLEARE Il processo è energeticamente favorevole perché i nuclei leggeri hanno energia di legame inferiore a quelli di massa intermedia
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
IL NUCLEO Nella fusione di quattro protoni per formare un nucleo di Elio si ha la liberazione di circa 7 MeV per nucleone
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
IL NUCLEO Nella bomba all’idrogeno una piccola bomba a fissione produce le condizioni di densità e temperatura necessarie perché un nocciolo di deuterio e trizio possa arrivare alla fusione
L’esplosione della prima bomba H nell’atollo di Bikini IL NUCLEO L’esplosione della prima bomba H nell’atollo di Bikini
Alcuni dei “padri” della bomba all’idrogeno IL NUCLEO TELLER Alcuni dei “padri” della bomba all’idrogeno ULAM BETHE SAKHAROV
IL NUCLEO I coniugi Rosenberg vennero condannati a morte per spionaggio nucleare a favore dell’URSS Nel 1953
EQUILIBRIO DEL TERRORE 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
IL NUCLEO PRIMO COLPO Una potenza nucleare, credendosi in vantaggio rispetto all’altra, potrebbe sferrare un attacco preventivo (primo colpo) che ne annienti del tutto le capacità offensive)
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD) IL NUCLEO MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD) La garanzia dell’equilibrio del terrore è che, anche in caso di un devastante primo colpo, la potenza aggredita conservi la capacità di distruggere completamente l’aggressore
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD) 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
IL NUCLEO CORSA AGLI ARMAMENTI Il mantenimento dell’equilibrio 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 dell’URSS
Tra i nome più illustri Albert Einstein e Bertrand Russell 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
IL NUCLEO MOVIMENTO PACIFISTA Nel film “Il dottor Stranamore” (1963) il registra inglese Stanley Kubrick rappresenta lo scoppio di un conflitto nucleare portando all’attenzione del grande pubblico il problema della corsa agli armamenti
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
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 sull’opinione pubblica
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 dall’URSS, in risposta all’analogo schieramento di missili da parte sovietica in Germania Est
Le proteste contro lo schieramento dei missili a Comiso IL NUCLEO Le proteste contro lo schieramento dei missili a Comiso
IL NUCLEO Nel 1987 il presidente Reagan e il segretario del PCUS Gorbaciov firmarono un trattato per lo smantellamento dei missili in europa
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
ARMI NUCLEARI NEL MONDO (testate) IL NUCLEO ARMI NUCLEARI NEL MONDO (testate) Russia 15000 USA 9900 Francia 350 Cina 200 Israele 80 Pakistan 60 India 50 Corea del nord 2?