ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE a cura di VITO CARLOMAGNO E MARIA ROSARIA MACERA

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ELEMENTI DI FISICA NUCLEAREa cura di VITO
CARLOMAGNO EMARIA ROSARIA MACERA
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Le forze nucleari

• Forza nucleare di interazione forte
• Forza attrattiva di interazione forte
• tra protoni e neutroni
• Natura non elettrica
• Natura non gravitazionale
• Si manifesta tra nucleoni
• (protoni o
  neutroni)
• Raggio dazione 10-15 cm
• Ordine di grandezza 5 Me V

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Le forze nucleariNOTE STORICHE

• Hideki Yukawa (1935)
• Ipotesi del mesone (massa 300 me)
• Le forze nucleari dovute a scambi di mesoni

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Le forze nucleari-ipotesi grafica-
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Le forze nucleari

• Forza nucleare di interazione debole
• Scoperta da Enrico Fermi nel 1933
• Avviene fra elettroni e nucleoni
• 105 volte inferiore alla forza nucleare di
  interazione forte
• Provoca il decadimento ß

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La radioattività naturale

• È un fenomeno di emissione di particelle
• Provoca stabilità ed instabilità di nuclei di
  particolari elementi
• Utilizza la max energia di legame
• Tende a ridurre il numero di protoni o di
  elettroni gtgtgtgtgtgtper la stabilità
• (fenomeno di decadimento)

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La scoperta della radioattività

• 1896 Henri Becquerel.
• Lastre fotografiche e Sali di uranio
• Fenomeno spontaneo
• Marie e Pierre Curie
• Scoperta di nuovi elementi radioattivi
• Polonio e radio
• Nobel 1903
• M. Curie morì nel 1934 (67)

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Il decadimento radioattivo

• Il termine radioattivo deriva dalle
  caratteristiche del radio
• Di un nucleo che dà luogo a processi radioattivi
  si dice che decade
• Decadimento di tre tipi
• emissione di particelle a
• emissione di particelle ß
• emissione di particelle ?

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Il decadimento radioattivo

• I decadimenti a e ß sono accompagnati
  dallemissione di raggi ? ossia radiazione
  elettromagnetica di alta frequenza.
• Hanno diversa capacità penetrante.

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Il decadimento radioattivo a

• Nel decadimento a un nucleo perde 2 protoni e 2
  neutroni
• Esso si trasforma in un nucleo di massa inferiore
  di 4 unità ed emette la particella a costituita
  da 1 nucleo di elio (massa 4 volte la massa del
  nucleo di H e carica doppia di e)

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• Esempi di decadimento a
• Radio (A226 , Z88) si trasforma in
• Radon (A224, Z86) Elio (A4 , Z2)
• Radiazione a gtgtgtgtgtgtgtElio (He)

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Il decadimento radioattivo ß

• Nel decadimento ß un nucleo emette semplicemente
  un elettrone (o un positrone elettrone
  positivo) e una particella detta neutrino di
  massa nulla e velocità c.
• Il decadimento ß può avvenire attraverso la
  trasformazione di un protone in neutrone e
  ?e

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• Esempi di decadimento ß
• Piombo (A210, Z82) si trasforma in
• Bismuto(A210, Z83) e- ?e
• Interpretazione Un neutrone si trasforma in un
  protone e- ?e
• In tal modo si giustifica che A resta 210 e Z
  diventa 82183.

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Le leggi del decadimento

• La legge secondo la quale i nuclei decadono vale
  per qualsiasi tipo di nucleo
• dN-?Ndt dove N è il numero di nuclei e ? è
  detta costante di decadimento radioattivo
• t1/ ? è detta vita media del nucleo.

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Le leggi del decadimento

• In termini più generali se N è il numero di
  nuclei superstiti al tempo t, No è il numero di
  nuclei allistante iniziale, vale la relazione
• N Noe-?t
• Tempo di dimezzamento tempo dopo il quale N No/2

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Applicazioni delle leggi del decadimento

• 1Kg di uranio 238gtgtgt1/2 Kg decade in 4,5 miliardi
  di anni.
• Il 1/2 Kg si ridurrà a 250 g in altri 4,5
  miliardi di anni.
• Luranio decadrà completamente in 50 miliardi di
  anni.

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Le famiglie radioattive

• Un nucleo soggetto a radiazione passa da uno
  stato di instabilità ad uno di maggiore
  stabilità, ma può essere trasformato
  ulteriormente .
• Gli elementi radioattivi sono classificati in
  famiglie aventi un capostipite e una serie di
  discendenti

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Le famiglie radioattive

• Tre famiglie radioattive naturali
• Capostipiti
• Uranio 238
• Torio 232
• e
• Uranio 235

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Le famiglie radioattive-grafico-
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Particolari famiglie radioattive

• Piombo 206 in rocce antiche della Terra
• Pari quantità di Uranio 238
• Metà UraniogtgtgtPiombo
• Si può risalire alletà della Terra
• Il tempo di dimezzamento delluranio è 4,5
  miliardi di anni età della Terra

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Radioattività artificiale

• Oltre agli isotopi radioattivi naturali si
  possono produrre isotopi artificiali
• Un atomo stabile è trasformato in un atomo
  instabile attraverso un processo detto di
  trasmutazione artificiale
• Consiste in un bombardamento del nucleo a mezzo
  di neutroni
• Perché i neutroni?

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Radioattività artificiale

• Un nucleo che cattura un neutrone diventa
  instabilegtgtgtfase di emissione radioattiva

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Esempi di radioattività artificiale

• Es. U238(z92)n si trasforma in
• U239(z92) ?
• U239(z92) si trasforma in nettunio
• Np239(z93) ß-
• Np239(z93) si trasforma in plutonio Pu239(z94)
  ß-
• Il plutonio infine si disintegra per emissione a

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Fall-out

• Inquinamento
• Maggiore è il tempo di dimezzamento maggiore è il
  danno che ne deriva
• Stronzio 90 chimicamente simile al calcio
  presente nel latte
• Insorgere di leucemia e cancro
• Fall-out ricaduta di materiale radioattivo a
  seguito di esplosione di bombe nucleari

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La fissione nucleare

• Consiste nella scissione di un nucleo pesante in
  due nuclei di massa intermedia
• Fissione delluranio 235 U235 cattura un
  neutrone e si scinde in due elementi di massa
  intermedia ed emette altri tre neutroni

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La fissione nuclearegrafico
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La fissione nucleare

• I neutroni emessi possono provocare la fissione
  di altri nuclei di uranio U235.
• Nel processo si libera una gran quantità di
  energia (difetto di massa) energia cinetica
  delle particelle generate energia della
  radiazione elettromagnetica emessa.

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La fissione nucleare

• Tale energia liberata riscalda la massa di uranio
  circostante elevandone la temperatura.
• 1 kg di uranio libera energia pari a quella di 20
  milioni di litri di benzina 20 miliardi di
  calorie.
• Reazione a catena la massa di uranio non deve
  essere inferiore ad una quantità detta massa
  critica

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La fissione nucleare

• Lenergia può essere liberata in un tempo
  brevissimo processo sul quale si basa la bomba
  atomica (bomba A).
• Lenergia può essere liberata in modo controllato
  rendendo possibile lo sfruttamento per produrre
  energia utilizzabile i reattori nucleari.

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La fissione nucleare
Le due masse, singolarmente inferiori alla massa
critica, in seguito allesplosione sono spinte
al centro dove unendosi superano la
massa critica. Il neutroni emessi innescano
quindi la reazione a catena. Solo una minima
parte di uranio subisce la fissione
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La fissione nucleare
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La fusione nucleare

• Processo nel quale due nuclei leggeri si
  uniscono liberando energia il nucleo prodotto ha
  massa minore della somma delle masse dei nuclei
  originari
• Nuclei a distanza lt10-12 cm
• Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche
  occorre fornire energia cinetica per
  lavvicinamento

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La fusione nucleare

• Si riscaldano i nuclei con una esplosione di
  bomba A (innesco)
• Temperatura elevata a milioni di gradi ? notevole
  aumento delloscillazione termica i nuclei si
  avvicinano fino a interagire (interazione forte)?
  inizia il processo di fusione

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Esempi di fusione nucleare

• 1 atomo di deuterio H2 e 1 di trizio H3 si
  fondono H2 H3 He4 (3.5Mev)n(14.Mev)
• Reazioni nucleari avvengono nel Sole
• Energia liberata 10 volte superiore a quella
  della fissione nucleare.
• Reazione nucleare energia pulita? Non ci sono
  scorie radioattive, ma provocherebbe un
  innalzamento della temperatura del globo.

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La fusione nucleare

• Problemi tecnologici occorrono contenitori in
  grado di non fondersi a temperature di milioni di
  gradi
• Tokamak campo magnetico toroidale esso
  confinerebbe il gas (nuclei di Elio,) senza
  ricorrere a cotenitori tradizionali.
• Fusione fredda 1989 Fleshmann e Pons tecniche
  elettrochimiche a temperatura ambientepresenta
  forti dubbi

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bibliografia

• Ugo amaldi -Fisica modera-Zanichelli