FISICA NUCLEARE. Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.1
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- Annabella Moretti
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1 FISICA NUCLEARE Atomo e dimensioni atomiche Elementi chimici e isotopi Le quattro forze fondamentali Forza gravitazionale Forza elettrica Forze nucleari forte Forza nucleare debole Stabilità e radioattività Decadimenti radioattivi Il momento magnetico del protone La risonanza magnetica Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.1 1
2 LA FISICA ATOMICA e NUCLEARE FISICA ATOMICA Considera le proprietà dell atomo intero, costituito quindi da nucleo ed elettroni. Le proprietà più importanti riguardano i legami, mediante la condivisione di elettroni, con altri atomi (forze elettriche). La fisica atomica studia quindi soprattutto i legami molecolari e le proprietà dei composti chimici FISICA NUCLEARE Considera le proprietà del nucleo: non studia quindi i legami elettronici tra diversi elementi ma le caratteristiche del nucleo (stabilità, decadimento, fissione, fusione, ) Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.
3 L ATOMO Z protoni m p = kg q = +e = C N neutroni m n = kg q = 0 Z elettroni m e = kg q = -e = C Numero di massa: A = Z + N Notazione: A Z X Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.3 3
4 LE DIMENSIONI ATOMICHE Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.4 4
5 GLI ELEMENTI CHIMICI Nella tavola periodica di Mendeleev gli elementi sono ordinati in funzione di Z Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.5 5
6 GLI ISOTOPI Gli isotopi di un elemento hanno stesso numero di protoni Z ma diverso numero di neutroni N e quindi diverso numero di massa A Rappresentano una stessa specie chimica ma con diversa massa In natura uno stesso elemento si può presentare in più isotopi che possono essere stabili (cioè rimangono immutati nel tempo) o instabili (cioè si modificano nel tempo) Esistono isotopi prodotti artificialmente dall uomo Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.6 6
7 LE 4 FORZE FONDAMENTALI Nel nucleo I protoni risentono di forza elettrostatica e gravitazionale: ecco un confronto eseguito per due protoni FORZA gravitazionale F G G m r m p p ( ( ) ) N FORZA elettrostatica F E q r q p p ( ( ) ) 30 N F E F G F G F E P P La forza gravitazionale è trascurabile in fisica nucleare! I protoni tuttavia dovrebbero respingersi violentemente Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.7 7
8 LA FORZA FORTE: la colla nucleare All interno dei nuclei atomici si manifesta una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di incollare tra loro i protoni vincendo la loro repulsione elettrostatica: la forza nucleare forte. E sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.8 8
9 LA FORZA NUCLEARE DEBOLE Nei nuclei leggeri si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Idrogeno: Z=1 1 1 H 1 H 3 1 H Deuterio Trizio instabile! He 3 He 4 He Elio: Z= Non esiste! 5 He instabile! La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un altra forza responsabile dei decadimenti nucleari (radioattivi): la forza nucleare debole Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.9 9
10 Un nucleo è stabile se non si modifica nel tempo. Molti elementi sono stabili solo come isotopi. Nel piano Z-N la zona in cui si concentrano gli elementi stabili è detta valle della stabilita STABILITA N Stabilita dei nuclei Nuclei leggeri (Z 0) N = Z Nuclei pesanti (Z > 0) N > Z Z Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.10 10
11 INSTABILITA e RADIOATTIVITA Se un elemento è instabile si modifica emettendo una particella o una radiazione (decadimento): questo fenomeno è detto radioattività Il nuovo elemento ha un diverso Z Quali nuclei decadono? I nuclei non compresi nella valle di stabilità : nuclei con troppi protoni (Z>9) nuclei con troppi neutroni nuclei con pochi neutroni nuclei con troppa energia (fissione) Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.11 11
12 DECADIMENTI RADIOATTIVI + A Z X N Nuclei pesanti A 4 4 Z Y N He A A Z X N Z 1Y N 1 e Nuclei con troppi neutroni A A Z X N Z 1Y N 1 Nuclei con pochi neutroni A Z X N A Z X N h e Spesso dopo decadimento o Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.1 1
13 CATENE RADIOATTIVE Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.13 13
14 MOMENTO MAGNETICO DEL PROTONE e PRECESSIONE 1. Il nucleo dell idrogeno (ma in genere tutti i nuclei) può essere assimilato ad una sferetta che ruota attorno ad un asse e genera un piccolo campo magnetico (momento magnetico) come una bussola. Se si applica un campo magnetico l asse compie un moto di precessione (simile al moto della terra attorno al suo asse) Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.14 14
15 RISONANZA MAGNETICA 3. Un nuovo opportuno campo magnetico può amplificare la precessione fino a ribaltare il momento magnetico (risonanza) 4. Il nucleo a riposo ritorna alla situazione di partenza emettendo una radiazione che può essere raccolta da un rivelatore esterno Liceo scientifico Don Bosco Fisica nucleare pag.15 15
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