Fabio Mantovani

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1 Stage Edizione 2014 Fabio Mantovani

2 Introduzione alla fisica nucleare Breve storia dell atomo I costituenti dei nuclei atomici Leggi di conservazione Scale di lunghezza, massa e tempo La tavola dei nuclei Breve storia della radioattività La legge del decadimento radioattivo Vita media fisica, biologica ed effettiva

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4 La storia dell atomo La dottrina dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro: teoria degli atomi. In seguito, dagli atomi rimasti a giacere sul fondo [i più pesanti] fu prodotta la terra, mentre da quelli portatisi nella regione più alta furono trasformati il cielo, il fuoco e l'aria. non bisogna infatti ragionare sulla natura per enunciati privi di riscontro oggettivo e formulazione di principi teorici, ma in base a ciò che l'esperienza sensibile richiede Atomo dal greco ἄτομος (àtomos) - indivisibile è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche.

5 L evoluzione della conoscenza dell atomo Con la scoperta dell'elettrone inizio l esplorazione delle particelle che compongono l atomo: si dimostrò l esistenza di un nucleo costituito neutroni e protoni John Dalton 1898 J. J. Thomson 1910 E. Rutherford 1913 Niels Bohr Suggerì una struttura della materia composta da atomi sfere scopri l elettrone modello atomico a panettone modello atomico planetario con il nucleo centrale positivo modello atomico con orbitali elettronici Particella Simbolo Elettrone e - Protone p Neutrone n 5

6 Carta identità dell atomo Protone Neutrone Nucleo Carica Massa Distanza dal nucleo Elettrone C kg ~ m Elettrone Neutrone Carica / Massa kg Raggio ~ m Protone Carica C Massa kg Raggio ~ m

7 La caratterizzazione di un nucleo A = Numero di massa: la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo Z = Numero atomico: il numero dei protoni nel nucleo A Z X (N) A = Z + N N = Numero dei neutroni: il numero dei neutroni nel nucleo NOTA: Poiché A = Z + N,basta conoscere due quantità e la terza è automaticamente determinata, per questo motivo per semplificare la notazione non viene riportato N. A = 4 4 He Z = 2 2 N = A Z = 2

8 This image cannot currently be displayed. Leggi di conservazione Perché sono importanti Z ed A? Z In ogni processo fisico è conservata la carica elettrica. A In ogni processo fisico è conservato il numero barionico, che nella fisica nucleare corrisponde al numero di massa. A Z X A Z-1 Y 0-1 e ν e A1 X Z1 A2 Z2 Y A3 U Z3 A4 Z4 V dove A1 + A2 = A3 + A4 Z1 + Z2 = Z3 + Z4

9 Scala di lunghezza, massa e tempo Un sistema di unità di misura (ad es. MKS) è definito in termini di tre grandezze campione, di lunghezza (metri), di tempo (secondi) e di massa (chilogrammi). t Ogni sistema/processo fisico è dunque caratterizzato da tre grandezze, che lo individuano. Esempio 1: Grandezze caratteristiche per il corpo umano: -L ~ 1 m - M ~ 100 kg - t ~ 100 anni M L Esercizio 1: Quanti secondi ci sono in 100 anni? Accettereste di euro per contare da 1 a 3 miliardi? Esempio 2: Grandezze caratteristiche per la Terra: -L ~ 6 x 10 6 m -M ~ 6 x kg -t ~ 6 x 10 9 anni

10 This image cannot currently be displayed. Dimensioni dei nuclei Il volume dei nuclei cresce linearmente con la massa atomica (A), ossia: V = k A come per le gocce d acqua Le dimensioni nucleari dei nuclei crescono dunque come: R = r 0 A 1/3 dove la costante di proporzionalità vale: m r 0 = 1.2 x m = 1.2 fm m NOTA: Le dimensioni lineari di un atomo sono 10 5 volte più grandi confronto al nucleo. Atomo NOTA: I raggi dei nuclei sono nel intervallo tra ~1 a ~7 fm.

11 Masse dei nuclei In una prima, rozza, approssimazione, la massa di un nucleo è uguale alla somma delle masse dei suoi costituenti: Si noterà che la massa di un atomo è concentrata nel nucleo, visto che la m e è molto minore di m p e m n. NOTA: Le massa di un protone e circa 1800 volte più grande della massa di un elettrone. M(Z, N) ~ Zm p + Nm n Particella Elettrone Protone Neutrone Massa (kg) 9, , , Secondo la relatività, la massa di un sistema è l energia totale nel suo riferimento di quiete (E = mc 2 ), e dunque vi contribuiscono anche le energie di interazione fra i costituenti: M(Z,N) = Zm p + Nm n E b /c 2 dove E b è l energia di legame del sistema. NOTA: Nel caso dei nuclei, il termine E b /c 2 è dell ordine di 1/1000 rispetto agli altri termini; per confronto negli atomi questo termine è dell ordine 1/10 9.