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FISICA NUCLEARE

STRUTTURA DEL NUCLEO

• Protoni e nucleoni detti NUCLEONI
• Protone scoperto da ERNEST RUTHERFORD nel 1919
• Neutrone scoperto da JAMES CHADWICK nel 1932
• Neutrone non possiede carica elettrica e ha massa di poco più grande del protone (1,674 x 10^-27 Kg)

NUCLEONI

• Numero atomico Z: n° protoni del nucleo (dipende da elemento)
• Numero di neutroni N
• Numero di massa A: A = Z + N

NUMERO ATOMICO e NUMERO DI MASSA

• ISOTOPO: nuclei con stesso numero di protoni Z ma con differente n° di neutroni N (esempio Carbonio con isotopo A = 12 (più comune 98.9 %) e con A = 13
• Massa atomica su tavola periodica come media delle masse atomiche dei vari isotopi
• Proprietà chimiche dipendono solo da n° atomico Z e non da massa del nucleo

ISOTOPI

• Protoni e neutroni raggruppati in un nucleo di forma quasi sferica con raggio che dipende da A
• R = (1,2 x 10^-15 m) A^1/3
• Densità del nucleo dei vari elementi approssimativamente uguali tra loro
• Densità dei vari elementi varia solo per diverse distanze tra atomi

NUCLEO

• Due cariche di uguale segno si respingono
• Come fanno i protoni a stare compatti nel nucleo?
• Grazie alla forza di INTERAZIONE (NUCLEARE) FORTE (forza fondamentale)
• È sempre ATTRATTIVA e indipendente da carica elettrica
• È a CORTO RAGGIO D’AZIONE (molto intensa se nucleoni con distanze di circa 10^-15 m)

INTERAZIONE NUCLEARE FORTE

• STABILITA’ dei nuclei se agisce interazione forte e compensa la repulsione elettrica
• Quando Z aumenta, aumenta anche N per mantenere stabilità nuclei

INTERAZIONE NUCLEARE FORTE

• ENERGIA DI LEGAME: energia per scindere nucleo stabile
• Relatività ristretta mostra equivalenza energia-massa
• Quando si fornisce energia di legame, si osserva aumento della massa complessiva dei nucleoni separati

ENERGIA DI LEGAME

• Difetto di massa m: differenza tra la somma delle masse dei nucleoni e la massa complessiva del nucleo
• Legata all’energia di legame
• Energia di legame = mc^2

DIFETTO DI MASSA

• 1 u = un dodicesimo della massa di C
• 1 u = 1,66 x 10^-27 kg
• Protone = 1,007 u
• Neutroni = 1,008 u
• Usando l’equivalenza massa-energia

UNITA’ DI MASSA ATOMICA

• Energia di legame per nucleone: rapporto tra energia di legame di un nucleo e numero A di nucleoni

CURVA DELL’ENERGIA DI LEGAME PER NUCLEONE

• in una reazione nucleare i nuclei reagenti si scambiano protoni e neutroni per formare altri nuclei (prodotti della reazione)
• In una reazione nucleare n° protoni e n° neutroni si conservano

REAZIONI NUCLEARI

• Reazioni nucleari endoenergetiche: trasformano energia cinetica in massa (assorbono energia)
• Reazioni nucleari esoenergetiche: la massa totali dei nuclei finali è minore di quella nei nuclei iniziali (producono energia)
• Energia assorbita o prodotta nelle reazioni nucleari detta ENERGIA DI REAZIONE

REAZIONI NUCLEARI

Da curva dell’energia di legame per nucleoni:

• Per piccoli valori A la curva cresce rapidamente (fino a ferro-56 e nichel-62)

• Se due nuclei con basso valore di A si fondono si crea un terzo nucleo più pesante e m > 0
• Avviene la FUSIONE con liberazione di energia

REAZIONI NUCLEARI

Da curva dell’energia di legame per nucleoni:

• Per grandi valori A, la curva di legame per nucleone decresce, ossia nuclei meno legati

• Se un nucleo con numero A alto si divide in nuclei più leggeri, si ha liberazione di energia
• Avviene la FISSIONE con liberazione di energia

REAZIONI NUCLEARI

• Nuclei che decadono spontaneamente sono detti NUCLEI RADIOATTIVI (fenomeno naturale)
• Radioattività scoperta da Henry Bequerel e Marie Curie
• Il nucleo di partenza detto NUCLEO PADRE, quello ottenuto dopo decadimento NUCLEO FIGLIO

RADIOATTIVITA’

• Il RADON-222 è un gas radioattivo che si libera dal suolo (e presente nell’aria che respiriamo)
• Decade spontaneamente in POLONIO-218, emettendo una PARTICELLA ALFA, cioè un nucleo di elio-4

DECADIMENTO ALFA

• Nel decadimento beta la trasformazione del nucleo è accompagnata da emissione di un elettrone (detta PARTICELLA BETA), accompagnata da un ANTINEUTRINO-ELETTRONE

DECADIMENTO BETA

• Un protone del nucleo si trasforma in un neutrone, con emissione di un positrone (elettrone positivo) e un neutrino-elettrone

DECADIMENTO BETA INVERSO

• I nuclei sono in genere nello stato fondamentale con energia più bassa; durante particolari reazioni nucleari i nuclei sono in uno stato eccitato (indicato con *) con energia maggiore
• Dopo un tempo brevissimo, il nucleo eccitato passa ad un livello energetico più basso emettendo un fotone, con energie dell’ordine dei Mev, e quindi con elevata energia

DECADIMENTO GAMMA

• Sono tipi di nuclidi che presentano radioattività, sia naturale sia indotta artificialmente.
• Presentano una radioattività naturale se hanno Z maggiore di 83.
• Altri elementi naturali con Z<83 presentano una debole attività, sia per la presenza molto scarsa degli isotopi specificamente responsabili della loro radioattività, sia perché la vita media di tali isotopi è molto lunga.

RADIOISOTOPI

• Alcuni sono ottenuti artificialmente, di cui se ne conoscono più di 1200.
• Per ogni elemento si conosce almeno un radioisotopo, e per alcuni se ne conoscono anche più di 20.
• Le vite medie misurate di questi radioisotopi artificiali variano da frazioni di microsecondo a molti milioni di anni.
• Molti radioisotopi artificiali hanno trovato importanti applicazioni in campi diversissimi quali la chimica, la biologia, la medicina e l’ingegneria.

RADIOISOTOPI

• Hahn e Strassmann (1939) scoprono che un nucleo di uranio può catturare neutrone e spezzarsi in 2 nuclei più leggeri (FISSIONE NUCLEARE)
• Neutrone deve avere energia cinetica di almeno 5 Mev (per uranio-238)
• Uranio-235 FISSILE, ossia si scinde in due nuclei ogni volta che cattura un neutrone; nucleo si scinde in modi diversi, emettendo 2 o 3 neutroni

FISSIONE NUCLEARE

• Ogni volta che uranio-235 libera neutroni, può avviare fissione per altri nuclei, creando una REAZIONE A CATENA
• Nuclei veloci che si generano e neutroni prodotti assorbiti da materia circostante, che si scalda
• Se Uranio-235 è fissile, perché non avviene reazione nucleare spontanea?

REAZIONE A CATENA

• Uranio-235 poco diffuso (circa 0,7 % di tutto l’uranio in natura) e improbabile che incontri neutroni liberi
• La massa minima di materiale fissile, che occorre, affinché la fissione possa autosostenersi, è detta MASSA CRITICA
• Se quantità fissile ha massa minore di massa critica, i neutroni prodotti escono dalla superficie e vanno perduti (non avviene reazione a catena)

MASSA CRITICA

• Una bomba nucleare contiene 2 masse subcritiche di uranio-235 (o altro) tenute separate, ma che insieme superano la massa critica
• L’esplosione avviene quando vengono messe a contatto.
• Bomba all’uranio (Little Boy) sganciata su Hiroshima il 6 agosto 1945, bomba al plutonio-239 (Fat Man) sganciata su Nagasaki il 9 agosto 1945

BOMBA NUCLEARE

• Un reattore a fissione nucleare utilizza l’energia ottenuta da fissione di uranio-235 (o altri nuclei pesanti) in condizioni controllate per scaldare acqua in una caldaia, per poi produrre vapore per muovere una turbina e produrre energia elettrica
• Primo reattore nucleare a Chicago nel 1942 messo in funzione da Enrico Fermi

CENTRALE NUCLEARE

• Il NOCCIOLO è la parte di un reattore nucleare in cui avviene la reazione a catena
• Il nocciolo è un contenitore sigillato di acciaio, collocato in una struttura in cemento armato.
• Contiene:
• BARRE DI COMBUSTIBILE: tubi di metallo lunghi 3 o 4 m e spessi alcuni cm contenenti pastglie di ossido di uranio arricchito (in uranio-235)

NOCCIOLO

• MODERATORE: sostanza in cui è immerso combustibile nucleare che serve a rallentare i neutroni, per rendere più probabile la loro cattura da parte di nuclei fissili (di solito acqua, anche pesante arricchito di deuterio, o grafite
• BARRE DI CONTROLLO: fatte di materiale che assorbe neutroni (spesso cadmio) per regolare la rapidità della reazione a catena o anche bloccarla

NOCCIOLO

• la velocità della luce in un mezzo è inferiore a quella di particelle ad alta velocità (n=c/v)
• Il fenomeno, scoperto nel 1934, è particolarmente visibile nell’acqua dei reattori nucleari.
• In un mezzo denso può accadere che una particella superi la velocità di propagazione della luce nel mezzo stesso
• Quando tale particella è caricata elettricamente, si verifica l’effetto Čerenkov, ovvero l’emissione di radiazioni γ.
• Una particella elettricamente carica, lungo la sua traiettoria induce dei momenti di dipolo (polarizzazione) temporanei negli atomi o molecole del mezzo che attraversa.

LUCE CERENKOV

• Quando si supera la velocità della luce nel mezzo, il momento di dipolo risultante non è più nullo, cosicché si ha emissione di radiazione visibile.
• Avviene, cioè, un fenomeno analogo a quello che si ha nell’aria quando un oggetto supera la velocità di propagazione del suono (il muro del suono): si forma un cono d’onda (il cono di Mach) che si irradia dal punto in cui il fenomeno è accaduto.

LUCE CERENKOV

LUCE CERENKOV

• Un PLASMA è un gas elettricamente neutro in cui le particelle di segno opposto (ioni atomici ed elettroni) sono separate tra loro
• Le Stelle sono costituite da plasma di nuclei separati dagli elettroni ad altissima temperatura
• Per avviare una reazione di FUSIONE, i nuclei devono urtarsi a velocità elevate, come in media possiedono le particelle nel plasma ad altissima temperatura (circa 10^7 K)

FUSIONE NUCLEARE

Processo in 3 FASI:

• Due protoni si urtano e uno si trasforma in neutrone per DECADIMENTO BETA INVERSO con formazione di un atomo di DEUTERIO e emissione di POSITRONE e NEUTRINO-ELETTRONE
• Il nucleo di deuterio incontra un protone e forma un nucleo di ELIO-3
• Due nuclei di elio-3 si fondono e si forma un nucleo di ELIO-4 (particella alfa) e 2 protoni

FUSIONE NUCLEARE

• Per produrre energia a fusione nucleare si deve ricreare un plasma ad alta temperatura
• Nei reattori, quindi, non si riproduce la reazione che avviene nel Sole, ma si fondono un atomo di deuterio con una di trizio per formare un atomo di elio.
• Deuterio facilmente estraibile da acqua di mare, trizio si produce artificialmente

REATTORI A FUSIONE NUCLEARE

• Problemi tecnici per la realizzazione:
• Riscaldamento del gas ad elevatissima temperatura;
• Confinamento del plasma con:
• Confinamento inerziale: palla di deuterio e trizio bombardati da fasci laser in ogni direzione per ricreare un plasma
• Confinamento magnetico: si usano campi magnetici per mantenere il plasma in un contenitore a forma di ciambella (reattore TOKAMAK)

REATTORI A FUSIONE NUCLEARE

• Dispositivi per accelerare fasci di particelle che acquistano elevata energia cinetica (grazie a campi elettrici e/o magnetici) che collidendo fra loro generano nuove particelle da scoprire o per produrre quelle utili per altri scopi.
• Esempi sono:
• LINAC o acceleratore lineare
• CICLOTRONE
• SINCROTRONE

ACCELERATORE DI PARTICELLE

• Un CICLOTRONE, o acceleratore circolare, è una macchina per accelerare fasci di particelle utilizzando un campo elettrico ad alta frequenza ed alta tensione in associazione con un campo magnetico perpendicolare al piano di movimento delle particelle cariche.
• Inventato da Ernest Orlando Lawrence nel 1929

CICLOTRONE

• Si utilizzano due elettrodi ottenuti prendendo un cilindro cavo e tagliandolo in due lungo un piano passante per il suo asse di simmetria, così da ottenere due strutture cave a forma di D.
• Al centro di queste strutture viene posta una sorgente di particelle elettricamente cariche; all'inizio una delle due D è carica positivamente e l'altra negativamente, per cui la particella sarà attratta verso una delle due, a seconda della carica.

CICLOTRONE

• Perpendicolarmente alla superficie delle 2 D è presente un campo magnetico B per cui la particella carica q in moto con velocità v avverte la forza di Lorentz, che curva la traiettoria della particella, essendo perpendicolare sia al campo B sia alla velocità, acquisendo una traiettoria circolare di raggio R e con un certo periodo.

CICLOTRONE

CICLOTRONE

• Dopo ogni semicirconferenza la particella arriva al bordo della D  e la polarità delle 2 D si inverte. La particella è attratta nell'altra, aumenta di nuovo la sua velocità, di conseguenza aumenta anche il raggio dell'orbita, e così via. In conclusione la particella segue una traiettoria a spirale dall’interno verso l’esterno e una volta raggiunto il bordo viene estratta dal ciclotrone e inviata contro il bersaglio.

CICLOTRONE

CICLOTRONE

• https://lena.unipv.it/
• http://museotecnica.unipv.eu/

LENA e MUSEO