ARGOMENTO: Cenni di Fisica del Nucleo

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI GENOVA C.L. TECNICHE DIAGNOSTICHE RADIOLOGICHE CORSO INTEGRATO: MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE MATERIA: FISICA APPLICATA 2 (2 anno 1 sem) ARGOMENTO: Cenni di Fisica del Nucleo M.Claudia BAGNARA Servizio di Fisica Sanitaria A.O. Universitaria S. Martino di Genova (rev.2009) Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 1-1

2 INTRODUZIONE Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 2-1

3 INTRODUZIONE Secoli XVI e XVII: i risultati nel campo della chimica diedero un notevole impulso allo sviluppo della teoria atomica I primi esperimenti mostrarono che le sostanze possono essere suddivise nei componenti ultimi ( corpi semplici ) -> concetto di elemento chimico Teoria di Dalton: gli elementi si combinano tra loro per formare diversi composti secondo rapporti di peso ben definiti: concetto moderno di atomo come particella di dimensioni e peso caratteristici per ogni elemento Acqua: 2 atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O) -> H 2 O La tavola periodica degli elementi (Mendeleev): regolare comportamento chimico-fisico degli elementi; raggruppamento in distribuzione tabellare a righe e colonne Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 3-1

4 INTRODUZIONE Fine XIX ed inizio XX secolo: la materia è costituita da atomi Gli atomi erano considerati i mattoni della materia (atomo: privo di parti, indivisibile) Ma come sono strutturati gli atomi? Inizialmente non è netta la distinzione tra atomo e nucleo La fisica atomica nasce con la scoperta dell elettrone (J.J. Thomson 1897) Modello di Thomson: atomo come distribuzione sferica di carica positiva (10-8 cm), all interno un numero di elettroni in numero tale da garantire carica complessiva nulla (pudding) (1896) Becquerel scopre la radioattività: gli atomi possono essere instabili, quindi devono avere una struttura composita Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 4-1

5 INTRODUZIONE Il modello classico non spiega ciò che accade sperimentalmente (esperimento di Rutherford di diffusione di particelle su atomi pesanti come Au) (1910) Rutherford propone il modello dell atomo costituito da un nucleo positivo attorno al quale orbitano delle cariche negative Ciò è in contraddizione con le teorie della fisica classica (una carica in moto in un campo elettrico deve irraggiare perdendo energia per Bremsstrahlung: come possono le cariche negative continuare ad orbitare intorno al nucleo senza collassare su di esso?) (1913) Bohr: nuovo modello atomico, basato sulle conseguenze della quantizzazione del modello atomico di Rutherford: moderna teoria quantistica La fisica nucleare nasce con la scoperta del neutrone (Chadwick 1932) Dettagliate descrizioni dell atomo e del nucleo: Heisenberg 1932 Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 5-1

6 INTRODUZIONE Modello di Bohr: gli elettroni percorrono orbite stazionarie intorno al nucleo, senza subire variazioni di energia Ad ogni orbita corrisponde un determinato livello energetico e l emissione di radiazione avviene in seguito alle transizioni elettroniche tra orbite diverse L atomo emette energia (radiazione elettromagnetica) se un elettrone si sposta da un livello energetico superiore ad uno inferiore, e assorbe radiazione nel caso contrario Configurazione elettronica dell atomo: disposizione degli elettroni I gusci elettronici vengono riempiti in modo regolare a partire dal primo livello in avanti; ciascun guscio può contenere al massimo un numero di elettroni definito dalla statistica degli elettroni (fermioni) Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 6-1

7 L ATOMO Ogni atomo è costituito da un nucleo (r=10-14 m), circondato da una nuvola di elettroni su orbite con r=10-10 m La massa degli elettroni è estremamente inferiore a quella del nucleo, ma a causa della loro natura diffusa, essi occupano molto più spazio Un insieme di atomi consiste in pochi spot densi (i nuclei), mentre il resto dello spazio (virtualmente occupato da elettroni) è sostanzialmente vuoto. Se un atomo occupasse un intera stanza, il nucleo occuperebbe lo spazio di una capocchia di spillo al centro di questa. La materia è fatta di vuoto!!! A causa del vuoto che costituisce la materia solida, una particella in moto che attraversa un materiale può facilmente penetrare diversi atomi, prima di effettuare una collisione con una parte qualunque di uno di questi. Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 7-1

8 MASSA ATOMICA Legge di Avogadro (1811): volumi uguali di gas diversi, a P e T costanti e uguali, contengono lo stesso numero di particelle (atomi o molecole) -> 1 litro di elio o di ossigeno con gli stessi valori di P e T contengono lo stesso numero di atomi di He o di molecole di O 2 Le masse di volumi uguali con identici valori di P e T sono proporzionali alle masse delle singole molecole Unità di massa atomica (uma): si definisce esattamente uguale a 1/12 della massa del carbonio 12 C 1 uma= kg (= 1 u) Se espressa in u(ma) la massa atomica di qualunque atomo è approssimativamente uguale al suo numero di massa A. Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 8-1

9 NUMERO DI AVOGADRO La MOLE (mol) è l unità di misura della quantità di sostanza e corrisponde ad una quantità in grammi pari alla massa molecolare della sostanza Una mole di sostanza (chimicamente definita) è quella quantità di sostanza che contiene un numero N A di particelle identiche (es.: atomi o molecole) N A è un numero che è chiamato Numero di Avogadro (costante universale pari a N A = x atomi/mol) N A è il numero di atomi che stanno esattamente in 12 g di 12 C Si tratta di un numero immenso: con un Numero di Avogadro di palline da pingpong si ricoprirebbe l'intera superficie terrestre, oceani inclusi, con uno strato spesso 80 chilometri!! N A atomi occupano un volume dell'ordine del cm 3 ; quindi le dimensioni dell atomo sono dell'ordine di (1 cm 3 /N A ) 1/3, pari a circa 10-8 cm (=10-10 m). Densità materia condensata: (1 20) g/cm 3 =(1 20) kg/m 3 Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 9-1

10 L ATOMO Gli atomi differiscono tra di loro per la diversa composizione del loro nucleo e per il numero e la disposizione dei loro elettroni Numero atomico Z: numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo (= num di elettroni per atomo neutro). Z va da 1 (idrogeno) a poco più di 100 per gli atomi più complessi Le proprietà chimiche di un atomo sono determinate da Z Elem. Simbolo Z amu Idrogeno H 1 1,008 Elio He 2 4,003 Litio Li 3 6,941 Berillio Be Boro B Carbonio C Azoto N Ossigeno O Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 10-1

11 LA STRUTTURA ATOMICA L idrogeno è l atomo più semplice, con un solo elettrone che si muove intorno al nucleo Il nucleo (carica positiva) tiene l elettrone (carica negativa) in uno stato legato (energia ev) L elio ha due elettroni nello stesso orbitale (K), ma con spin opposti Questa configurazione elettronica è molto stabile, infatti l elio non interagisce chimicamente con altri materiali (gas nobile, o inerte) L idrogeno deve le sua proprietà chimiche al fatto che tende ad acquisire un elettrone per portarsi nella configurazione stabile dell elio L orbita più interna è chiamata shell K Le successive, nell ordine L, M, N Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 11-1

12 LA STRUTTURA ATOMICA Esempio di orbitali atomici Generalmente, un atomo, dal punto di vista chimico, è particolarmente stabile se la shell più esterna è completa Se non lo è, tende a renderla completa, reagendo chimicamente con altri elementi, in modo da acquisire gli elettroni mancanti o da perdere quelli in surplus La shell L si completa con il neon (altro gas nobile, quindi inerte chimicamente) Il carbonio ha 4 elettroni nella shell L, quindi può formare diversi composti, acquisendo o perdendo 4 elettroni alla volta, per acquistare stabilità Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo 12-1