Monaco 2012 richiami essenziali di fisica atomica e nucleare Giovanni Vicari Istituzione Culturale don Carlo Gnocchi Carate Brianza (MB)

Monaco di Baviera Istituto Max Planck di fisica del plasma

la società Max Planck fu fondata a Gottinga da Otto Hahn nel 1948 succedendo alla Società Kaiser Wilhelm fondata nel è stata così denominato in onore dello scienziato Max Planck, morto un anno prima. la società Max Planck fu fondata a Gottinga da Otto Hahn nel 1948 succedendo alla Società Kaiser Wilhelm fondata nel è stata così denominato in onore dello scienziato Max Planck, morto un anno prima. vanta più premi Nobel di qualsiasi altra istituzione mondiale. vanta più premi Nobel di qualsiasi altra istituzione mondiale.

Monaco di Baviera Istituto Max Planck di fisica del plasma l'Istituto Max Planck di fisica del plasma sito a Garching bei München si dedica alla ricerca sulla fisica e tecnologia delle centrali a fusione nucleare. l'Istituto Max Planck di fisica del plasma sito a Garching bei München si dedica alla ricerca sulla fisica e tecnologia delle centrali a fusione nucleare. oggi a Garching è in funzione il tokamak ASDEX Upgrade (dal 1991), il più grande reattore a fusione sperimentale tedesco. oggi a Garching è in funzione il tokamak ASDEX Upgrade (dal 1991), il più grande reattore a fusione sperimentale tedesco.

latomo lipotesi che la materia non sia continua è antica (V sec. a.C.), solo allinizio del XIX sec. John Dalton fondò la teoria atomica moderna.

John Dalton (1803) la materia è formata da piccole particelle elementari (atomi) la materia è formata da piccole particelle elementari (atomi) gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali gli atomi non possono essere né creati né distrutti gli atomi non possono essere né creati né distrutti

i modelli atomici 1904 J. J. Thomson 1904 J. J. Thomson 1911 E. Rutherford 1911 E. Rutherford 1913 N. Bohr 1913 N. Bohr

Joseph John Thomson (1904)

secondo il modello atomico di Thomson (a panettone) latomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa, allinterno della quale sono inserite le cariche negative secondo il modello atomico di Thomson (a panettone) latomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa, allinterno della quale sono inserite le cariche negative

Joseph John Thomson (1904)

esperiemento di H. Geiger e E. Marsden

Ernest Rutherford (1911)

fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. pensandoci, ho capito che questa diffusione all'indietro doveva essere il risultato di una sola collisione e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell'ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico. fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. pensandoci, ho capito che questa diffusione all'indietro doveva essere il risultato di una sola collisione e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell'ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico.

Ernest Rutherford (1911)

la carica positiva è concentrata in un nucleo piccolo la carica positiva è concentrata in un nucleo piccolo anche la massa è concentrata nella regione centrale dellatomo anche la massa è concentrata nella regione centrale dellatomo

Ernest Rutherford (1911) il modello di Rutherford è instabile, latomo invece è in equilibrio il modello di Rutherford è instabile, latomo invece è in equilibrio nel 1884 Johann Balmer, insegnante svizzero, osserva le righe dello spettro di emissione dellidrogeno nel 1884 Johann Balmer, insegnante svizzero, osserva le righe dello spettro di emissione dellidrogeno

Johann Jacob Balmer (1885)

λ = (364,6 nm) n 2 /(n 2 -4)

Niels Bohr (1913)

il momento della quantità di moto è un multiplo intero della costante di Planck (solo alcune orbite sono possibili): m v r = n ħ. il momento della quantità di moto è un multiplo intero della costante di Planck (solo alcune orbite sono possibili): m v r = n ħ. lelettrone in moto nelle orbite circolari non emette radiazione elettromagnetica lelettrone in moto nelle orbite circolari non emette radiazione elettromagnetica la radiazione elettromagnetica è emessa se un elettrone varia in maniera discontinua il suo moto saltando su unaltra orbita: h ν = Δ E. la radiazione elettromagnetica è emessa se un elettrone varia in maniera discontinua il suo moto saltando su unaltra orbita: h ν = Δ E.

Niels Bohr (1913)

come sta insieme latomo?

il nucleo dellatomo

protoni e neutroni

il nucleo atomico ogni atomo è formato da un nucleo (protoni e neutroni) e dagli elettroni che gli orbitano intorno. ogni atomo è formato da un nucleo (protoni e neutroni) e dagli elettroni che gli orbitano intorno. i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb. se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili. i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb. se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili. si chiama forza nucleare forte quella che rende stabili i nuclei atomici. si chiama forza nucleare forte quella che rende stabili i nuclei atomici.

lenergia di legame l'energia di legame è l'energia meccanica necessaria per scomporre un oggetto nelle sue parti. un sistema legato ha un'energia potenziale inferiore a quelle delle parti che lo compongono, ed è per tale motivo che le sue parti restano unite. l'energia di legame è l'energia meccanica necessaria per scomporre un oggetto nelle sue parti. un sistema legato ha un'energia potenziale inferiore a quelle delle parti che lo compongono, ed è per tale motivo che le sue parti restano unite. per un atomo, l'energia di legame è l'energia di ionizzazione necessaria a separare il nucleo atomico e gli elettroni ponendoli a distanza tale che non interferiscano tra loro. per un atomo, l'energia di legame è l'energia di ionizzazione necessaria a separare il nucleo atomico e gli elettroni ponendoli a distanza tale che non interferiscano tra loro. l'energia di legame nucleare è l'energia necessaria per rompere il nucleo di un atomo: M nucleo < Z m protone + N m neutrone l'energia di legame nucleare è l'energia necessaria per rompere il nucleo di un atomo: M nucleo < Z m protone + N m neutrone

come sta insieme il nucleo?

a partire dagli elementi più leggeri, lenergia di legame cresce con laumentare del numero di massa, raggiungendo un valore massimo in corrispondenza del ferro. a partire dagli elementi più leggeri, lenergia di legame cresce con laumentare del numero di massa, raggiungendo un valore massimo in corrispondenza del ferro. poi diminuisce gradualmente fino valori anche insufficiente per mantenere unito il nucleo. poi diminuisce gradualmente fino valori anche insufficiente per mantenere unito il nucleo.

come sta insieme il nucleo? la forza attrattiva su un singolo nucleone e ̀ dovuta a tutti gli altri nucleoni del nucleo che si trovano a distanza minore del raggio di azione della forza nucleare: quanto maggiore e ̀ questo numero tanto maggiore e ̀ la forza attrattiva e quindi lenergia necessaria per strappare un particolare nucleone. questo spiega il valore più basso dellenergia di legame dei nuclei leggeri. la forza attrattiva su un singolo nucleone e ̀ dovuta a tutti gli altri nucleoni del nucleo che si trovano a distanza minore del raggio di azione della forza nucleare: quanto maggiore e ̀ questo numero tanto maggiore e ̀ la forza attrattiva e quindi lenergia necessaria per strappare un particolare nucleone. questo spiega il valore più basso dellenergia di legame dei nuclei leggeri.

come sta insieme il nucleo? al crescere del numero di nucleoni si arriva a una situazione in cui i nucleoni sono per la maggior parte troppo distanti per esercitare unattrazione reciproca notevole. per contro, poiché la forza elettrica non diminuisce cosi ̀ rapidamente con la distanza quanto la forza nucleare, nei nuclei più grandi la repulsione elettrica tra i protoni ha uninfluenza tuttaltro che trascurabile. al crescere del numero di nucleoni si arriva a una situazione in cui i nucleoni sono per la maggior parte troppo distanti per esercitare unattrazione reciproca notevole. per contro, poiché la forza elettrica non diminuisce cosi ̀ rapidamente con la distanza quanto la forza nucleare, nei nuclei più grandi la repulsione elettrica tra i protoni ha uninfluenza tuttaltro che trascurabile.

come sta insieme il nucleo? un altro aspetto importante della curva e ̀ il picco per il nucleo di 4 He, che risulta particolarmente stabile rispetto ai nuclei vicini. un altro aspetto importante della curva e ̀ il picco per il nucleo di 4 He, che risulta particolarmente stabile rispetto ai nuclei vicini. nei nuclei pesanti esiste quindi una situazione favorevole, dal punto di vista energetico, allemissione spontanea di nuclei di elio. nei nuclei pesanti esiste quindi una situazione favorevole, dal punto di vista energetico, allemissione spontanea di nuclei di elio.

Antoine Henri Becquerel

Antoine Henri Becquerel (1896) esperimenti sulla fosforescenza delluranio. esperimenti sulla fosforescenza delluranio. un fenomeno del tutto nuovo e inatteso! un fenomeno del tutto nuovo e inatteso! le radiazioni dipendevano dal materiale: l'uranio. le radiazioni dipendevano dal materiale: l'uranio.

Maria Sk ł odowska e Pierre Curie

decadimento α

il decadimento α avviene in accordo con la legge di conservazione della massa/energia con l'emissione di una particella, detta appunto particella alfa, composta da due protoni e due neutroni (nucleo di elio) da parte dell'isotopo di un elemento con elevato numero atomico (Z > 83). il decadimento α avviene in accordo con la legge di conservazione della massa/energia con l'emissione di una particella, detta appunto particella alfa, composta da due protoni e due neutroni (nucleo di elio) da parte dell'isotopo di un elemento con elevato numero atomico (Z > 83). perdendo due protoni l'elemento indietreggia di due posizioni nella tavola periodica degli elementi ovvero il numero atomico passa da Z a Z-2. perdendo due protoni l'elemento indietreggia di due posizioni nella tavola periodica degli elementi ovvero il numero atomico passa da Z a Z-2. es. 238 U 234 Th + α es. 238 U 234 Th + α

decadimento β

un neutrone decade in una coppia protone- elettrone più un antineutrino elettronico (decadimento β - ). un neutrone decade in una coppia protone- elettrone più un antineutrino elettronico (decadimento β - ). il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono emesse. il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono emesse. es. 60 Co 60 Ni + e - + ν es. 60 Co 60 Ni + e - + ν

decadimento β dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, quando Marie Curie osservò per la prima volta questo tipo di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu Enrico Fermi che, seguendo un'idea di Wolfgang Pauli, introdusse l'idea del neutrino per risolvere un'apparente contraddizione fra i risultati sperimentali ed il principio di conservazione dell'energia. dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, quando Marie Curie osservò per la prima volta questo tipo di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu Enrico Fermi che, seguendo un'idea di Wolfgang Pauli, introdusse l'idea del neutrino per risolvere un'apparente contraddizione fra i risultati sperimentali ed il principio di conservazione dell'energia.

decadimento γ

reazioni nucleari

una reazione nucleare è un tipo di trasformazione della materia che, a differenza di una reazione chimica in cui sono coinvolti gli elettroni di legame e forze di natura elettrostatica, riguarda il nucleo dellatomo di uno specifico elemento chimico, che viene convertito in un altro di diverso numero atomico, coinvolgendo le forze nucleari. una reazione nucleare è un tipo di trasformazione della materia che, a differenza di una reazione chimica in cui sono coinvolti gli elettroni di legame e forze di natura elettrostatica, riguarda il nucleo dellatomo di uno specifico elemento chimico, che viene convertito in un altro di diverso numero atomico, coinvolgendo le forze nucleari. essendo tali forze notevolmente più intense delle forze elettrostatiche le energie in gioco nelle reazioni nucleari sono sensibilmente più elevate rispetto a quelle in gioco nelle reazioni chimiche. essendo tali forze notevolmente più intense delle forze elettrostatiche le energie in gioco nelle reazioni nucleari sono sensibilmente più elevate rispetto a quelle in gioco nelle reazioni chimiche.

fissione nucleare

un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kripton e bario) e libera tre neutroni e dell'energia. un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kripton e bario) e libera tre neutroni e dell'energia. uno dei neutroni può venire assorbito da un altro nucleo di uranio 235 far continuare la reazione a catena. uno dei neutroni può venire assorbito da un altro nucleo di uranio 235 far continuare la reazione a catena.

fissione nucleare

fusione nucleare

i nuclei di due o più atomi vengono compressi tanto da far prevalere linterazione forte sulla repulsione elettromagnetica, unendosi tra loro ed andando così a generare un nucleo di massa maggiore dei nuclei reagenti nonché, talvolta, uno o più neutroni liberi. i nuclei di due o più atomi vengono compressi tanto da far prevalere linterazione forte sulla repulsione elettromagnetica, unendosi tra loro ed andando così a generare un nucleo di massa maggiore dei nuclei reagenti nonché, talvolta, uno o più neutroni liberi. l'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima temperatura, circa 10 K. l'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima temperatura, circa 10 K.

fusione nucleare

la fusione di elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nichel) è esoenergetica, ossia emette più energia di quanta ne richieda il processo di compressione. la fusione di elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nichel) è esoenergetica, ossia emette più energia di quanta ne richieda il processo di compressione. oltre tale valore è endoenergetica, cioè assorbe energia (per la costituzione di nuclei atomici più pesanti). oltre tale valore è endoenergetica, cioè assorbe energia (per la costituzione di nuclei atomici più pesanti). E = Δ m c 2 E = Δ m c 2

reattore a fusione un reattore nucleare a fusione è un sistema in grado di gestire una reazione di fusione nucleare in modo controllato. un reattore nucleare a fusione è un sistema in grado di gestire una reazione di fusione nucleare in modo controllato. allo stato attuale non esistono reattori nucleari a fusione operativi per produrre energia elettrica allo stato attuale non esistono reattori nucleari a fusione operativi per produrre energia elettrica

reattore a fusione per spingere atomi di idrogeno a fondere in maniera controllata all'interno di un reattore o, più in generale, di una camera, il combustibile deve essere innanzitutto confinato spazialmente. per spingere atomi di idrogeno a fondere in maniera controllata all'interno di un reattore o, più in generale, di una camera, il combustibile deve essere innanzitutto confinato spazialmente.

il tokamak

un tokamak è una macchina di forma toroidale che, attraverso il confinamento magnetico di isotopi allo stato di plasma, crea le condizioni affinché si verifichi, al suo interno, la fusione termonucleare. un tokamak è una macchina di forma toroidale che, attraverso il confinamento magnetico di isotopi allo stato di plasma, crea le condizioni affinché si verifichi, al suo interno, la fusione termonucleare. il nome è la traslitterazione dal russo токамак, acronimo per camera toroidale con bobine magnetiche. il nome è la traslitterazione dal russo токамак, acronimo per camera toroidale con bobine magnetiche. è il risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati russi Andrei Sakharov e Igor Tamm. è il risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati russi Andrei Sakharov e Igor Tamm. ASDEX Upgrade situato a Garching, presso Monaco di Baviera, in Germania; è operativo dal ASDEX Upgrade situato a Garching, presso Monaco di Baviera, in Germania; è operativo dal 1991.

il tokamak

il principio su cui si basa è che una particella carica immersa in un campo magnetico segue una traiettoria elicoidale (detta anche moto di ciclotrone). il principio su cui si basa è che una particella carica immersa in un campo magnetico segue una traiettoria elicoidale (detta anche moto di ciclotrone). realizzando delle linee di campo magnetico che si chiudano ad anello le particelle sono costrette a fluire lungo le linee del campo magnetico, percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro, e rimanendo pertanto confinate. realizzando delle linee di campo magnetico che si chiudano ad anello le particelle sono costrette a fluire lungo le linee del campo magnetico, percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro, e rimanendo pertanto confinate.

divagazione

divagazione

divagazione

divagazione

divagazione

divagazione

divagazione

divagazione

il tokamak

si immette corrente nelle bobine di campo toroidale. si immette corrente nelle bobine di campo toroidale. viene immessa una piccolissima quantità di gas (generalmente idrogeno o suoi isotopi) di cui si vogliano studiare le proprietà. viene immessa una piccolissima quantità di gas (generalmente idrogeno o suoi isotopi) di cui si vogliano studiare le proprietà. si immette corrente nel solenoide centrale, che occupa il buco centrale del toro creando un flusso nel nucleo del tokamak: esso costituisce il circuito primario di un trasformatore, di cui il toro costituisce il circuito secondario. si immette corrente nel solenoide centrale, che occupa il buco centrale del toro creando un flusso nel nucleo del tokamak: esso costituisce il circuito primario di un trasformatore, di cui il toro costituisce il circuito secondario. la corrente nel primario viene fatta rapidamente calare, e questo crea una forza elettromotrice. gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri. la corrente nel primario viene fatta rapidamente calare, e questo crea una forza elettromotrice. gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri. il gas non è più neutro, ma è diventato plasma: a questo punto la corrente elettrica riscalda il plasma a temperature anche molto elevate. il gas non è più neutro, ma è diventato plasma: a questo punto la corrente elettrica riscalda il plasma a temperature anche molto elevate.

il tokamak

il tokamak allinterno del tokamak ASDEX

il tokamak allinterno del tokamak Tore Supra plasma temperature 10 8 K

ironman

ironman