L ATOMO. Struttura atomica Numero atomico Peso atomico Raggio atomico Energia di ionizzazione Elementi e isotopi Abbondanza isotopica.

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1 L ATOMO Cristallo Atomo 10 9 m m Cellula 10 5 m Molecola Struttura atomica Numero atomico Peso atomico Raggio atomico Energia di ionizzazione Elementi e isotopi Abbondanza isotopica m Nucleo atomico Protoni e Neutroni m P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.1

2 Com è fatto un atomo R nucleo m = 1 fm R atomo m = 1 Å il nucleo è volte più piccolo dell atomo! R atomo 10 5! R nucleo 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 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.2

3 Numero atomico e peso atomico 92 elementi naturali atomi nucleo (protoni, neutroni) + elettroni dimensioni 10 8 cm = Å Z = numero atomico A = numero di massa A = Z + N N = numero di neutroni peso atomico : riferito all' isotopo 12 del carbonio ( 12 C) unità di misura SI : 1 unità di massa atomica (u.m.a.) = 1 dalton = g grammo-atomo P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.3

4 Atomi, nuclei, particelle: le loro dimensioni P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.4

5 Le particelle subatomiche elettrone protone neutrone carica elettrica e + e 0 dimensione < cm (*) cm cm massa g g g vita media stabile stabile 17 min (**) (*) limite superiore (**) neutrone libero P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.5

6 Raggio atomico e energia di ionizzazione raggio medio : (Å) r Li Na K B O Cl P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.6 Fe Rb Ag Cs unità di misura : 1 ev = joule energia di ionizzazione : E i 1 25 ev I Pb Bi (ev) E i energia di ionizzazione 25 He Ne per elettrone singolo 20 H Ar 15 Kr Xe Rn 10 Nd 5 Li Na Ga Rb In Tl U Z Z

7 Elementi chimici Elementi chimici: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92) TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.7

8 Isotopi Isotopi: stesso n.protoni Z diverso n.neutroni N (stessa specie chimica, diversa massa) N stabili radioattivi (naturali e artificiali) Stabilita dei nuclei: Nuclei leggeri (Z 20) N = Z Nuclei pesanti (Z > 20) N > Z come si spiega? Z P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.8

9 Abbondanza isotopica isotopi = elementi con stesso Z e diverso N elemento isotopi Z A N=A Z abbondanza carbonio ossigeno potassio piombo 12 C 13 C 14 C 16 O 17 O 18 O 39 K 40 K 41 K 204 Pb 206 Pb 207 Pb 208 Pb relativa (%) tracce peso atomico P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.9

10 Abbondanza isotopica P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.10

11 IL NUCLEO ATOMICO Valle dei nuclei Forza nucleare forte Forza nucleare debole Raggio e densità nucleare Equivalenza massa-energia Massa e difetto di massa Energia di legame P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.11

12 La valle dei nuclei Isotopi: stesso n.protoni Z diverso n.neutroni N (stessa specie chimica, diversa massa) N stabili radioattivi (naturali e artificiali) Stabilita dei nuclei: Nuclei leggeri (Z 20) N = Z Nuclei pesanti (Z > 20) N > Z come si spiega? Z P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.12

13 Ma i protoni non si respingono? Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d m). Essi risentono delle forze di: attrazione gravitazionale repulsione elettrostatica F G m = G r m p 2 p = ( (10 15 q q p p 9 ( ) FE = + = 9 10 = 4 πε r (10 ) 0 27 ) 2 ) = 2 10 N 34?!? N F E F G F G P P F E In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici. A MENO CHE P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.13

14 La colla nucleare A MENO CHE All interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di incollare tra loro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana. Per tenere uniti i protoni sono necessari anche i neutroni! FORZA NUCLEARE FORTE: E sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei... P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.14

15 Guardando i nuclei leggeri si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Idrogeno: Z=1 Elio: Z=2 1 1 H 2 1 H 3 1 H Deuterio Trizio instabile! 2 2 He 3 2 He 4 2 He Non esiste! He 5 2 instabile! La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un altra forza responsabile dei decadimenti nucleari FORZA NUCLEARE DEBOLE P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.15

16 Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo? Né troppi, né troppo pochi! N Z La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale. Quindi il rapporto tra protoni e neutroni nel nucleo non dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne che per la repulsione elettrostatica tra i protoni. Invece si verifica che in natura esistono solo nuclei leggeri (Z 20) con N Z nuclei pesanti (Z > 20) con N > Z Altri nuclei non esistono, o se prodotti decadono spontaneamente dopo un certo tempo, emettendo particelle, o trasformandosi in altre specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli. RADIOATTIVITA P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.16

17 Le 4 forze fondamentali della natura forza intensità relativa raggio d'azione gravitazionale infinito ( 1/r 2 ) elettromagnetica 10 2 infinito ( 1/r 2 ) nucleare debole r nucl cm nucleare forte 1 r nucl cm P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.17

18 Raggio e densità del nucleo r r 0 Densità nucleare: densità enorme! confronto: densità Terra d T 10 g/cm 3 Lo spazio è quasi tutto vuoto! Raggio del nucleone: r cm Impaccamento di nucleoni Raggio del nucleo: r r 0 A 1/3 d = = m V n 3 0 πr + 14 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.18 = m A 4 3 A m A n πr = g/cm m = 4 3 n 3 0 πr π(r (1911) L esperimento di Rutherford dimostra l esistenza di un nucleo atomico in cui è racchiusa tutta la carica positiva e la massa dell atomo. m A n A 1/3 ) π( = -24 g cm) indipendente da A 3

19 Masse atomiche e nucleari Sommando le masse dei componenti, dovrebbe essere: M nucleo M atomo = Zm p + Nm n = M nucleo + Zm e = Zm p + Nm n + Zm e Invece sperimentalmente si misurano masse inferiori. Spiegazione: il legame atomico/nucleare equivale a una situazione di minor energia potenziale che appare come minor massa! Einstein E=mc 2 infatti per togliere un elettrone a un atomo un nucleone a un nucleo bisogna compiere lavoro cioè fornire energia P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.19

20 E = mc 2 Z protoni m p = kg = uma massa protone m p c 2 = ( kg)( m/s) 2 = J = MeV N neutroni m n = kg = uma m n c 2 = ( kg)( m/s) 2 Z elettroni m e = kg = uma massa neutrone = J = MeV massa elettrone m e c 2 = ( kg)( m/s) 2 = J = MeV In Fisica Nucleare le masse si esprimono in unità di MeV/c 2 : m p = MeV/c 2, m n = MeV/c 2, m e = MeV/c 2 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.20

21 Massa e difetto di massa Mediante spettrometro di massa si misura la massa atomica: M atomo = M nucleo + Zm e -B e Per differenza si determina la massa del nucleo: M nucleo = M atomo (Zm e B e ) = Zm p + Nm n B A B e = energia di legame degli elettroni atomici: B e (13.6 ev) Z (B e <<m e, trascurabile) B A = energia di legame del nucleo B A = Energia di legame del nucleo = = lavoro necessario per separare tutti i nucleoni del nucleo = Δm = Difetto di massa = massa equivalente a questa energia = differenza tra la somma delle masse dei nucleoni e la massa effettiva del nucleo P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.21

22 Energia di legame È l energia che si libera durante il montaggio del nucleo a partire dai nucleoni liberi B a = (Zm p + Nm n M nucleo ) c 2 Le masse degli atomi di tutti i nuclidi stabili possono essere misurate con grandissima precisione con gli spettrometri di massa. In un nucleo stabile E b >0 Per strappare un nucleone ad un nucleo stabile occorre fornire dell energia. Stato Legato per trasformare un nucleo in un insieme di nucleoni occorre fornire energia; la massa del nucleo è minore della somma delle masse dei costituenti; le forze attrattive tra nucleoni sono cosí forti che l energia di legame risulta essere una frazione significativa della massa totale. La massa di un nucleo è <1% della somma delle masse dei singoli nucleoni P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.22

23 Energia di legame (2) Es. differenza idrogeno-deuterio In base alla sola somma delle masse: M D = 1m p +1m e +1m n = M H +1m n M H = ( ) MeV/c 2 = MeV/c 2 M D = ( ) MeV/c 2 = MeV/c 2 Invece la misura sperimentale dà M D = MeV/c 2 L energia di legame p-n nel nucleo di deuterio è B D = ( ) MeV = MeV negativa = stato legato Es. massa 17 O Somma delle masse: M 17O = 8m p +8m e +9m n = MeV/c 2 Mis.sperimentale: M 17O = MeV/c 2 Energia di legame: B 17O = MeV Energia di legame per nucleone: E A = B/A = ( MeV)/17 = 7.20 MeV P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.23

24 Energia di legame per nucleone MeV/A Energia di legame per nucleone: E A = B/A pressoché costante: E A 8 MeV nucleo B(MeV) B/A (MeV) 2 H He Li C Al Ca I A P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.24

25 IL DECADIMENTO RADIOATTIVO Stabilità dei nuclei Tipi di decadimento Bilancio energetico Attività Legge del decadimento radioattivo Vita media e tempo di dimezzamento Misura di vita media P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.25

26 Radioattivita Radioattività = trasformazione spontanea o indotta ( radioattività naturale o artificiale) dei nuclei con emissione di radiazione corpuscolare particelle elettromagnetica energia Quando? Nei nuclei non compresi nella valle di stabilità : nuclei con troppi protoni (Z>92) nuclei con troppi neutroni nuclei con pochi neutroni nuclei con troppa energia N Z P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.26

27 Nuclei isotopi, isotoni, isobari N A = 50 A = 20 A = 150 A = 100 Fe A = 200 Pb U linea N=Z Z ISOTOPI uguale Z (linea verticale) ISOTONI uguale N (linea orizzontale) ISOBARI uguale A (linea obliqua) nuclei instabili nuclei stabili P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.27

28 Nuclei stabili e instabili In natura esistono circa 270 nuclei stabili circa 1000 nuclei instabili In laboratorio si sono prodotti artificialmente circa 1500 nuclei instabili Come si spiega intuitivamente l eventuale instabilità? I nucleoni sono in continuo movimento e si scambiano continuamente energia. A seguito di questi casuali scambi di energia, può accadere che qualche nucleone acquisti energia cinetica sufficiente a sfuggire dal nucleo. Per far questo, bisogna che l energia acquistata sia sufficiente a vincere la barriera di potenziale nucleare generata dall interazione nucleare forte. Nei nuclei stabili, a causa dell energia di legame molto alta (=barriera di potenziale negativo molto profonda) questo processo non può avvenire. Nei nuclei instabili invece questo processo può avvenire casualmente con una certa probabilità. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.28

29 Decadimenti radioattivi α + A Z X N A Z 4 2 Y N He Nuclei pesanti β A A Z X N Z 1 + 1Y N + e Nuclei con troppi neutroni + ν β γ + A A Z X N Z 1Y N e Nuclei con pochi neutroni A A Z X N Z X N + h ν + + ν Spesso dopo decadimento α o β P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.29

30 Uno sguardo sui decadimenti N A Z-1 K β + α A Z X β A Z+1 J A-4 Z-2 H Z P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.30

31 Bilancio energetico I decadimenti sono comunque impossibili se non rispettano la conservazione della massa-energia. α + A A 4 4 Z X N Z 2Y N He 2 Possibile se M(Z,A) > M(Z-2,A-4) + M( 4 He) β A A Z X N Z 1 + 1Y N + e + ν Possibile se M(Z,A) > M(Z+1,A) + m e β A A Z X N Z 1Y N e + + ν Possibile se M(Z,A) > M(Z-1,A) + m e P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.31

32 Bilancio energetico: esempi Na Decadimenti ammessi: 11Na Decadimenti ammessi: β - : 23 11Na 23 12Mg + e - (+v) < NO β + : 23 11Na 23 10Ne + e - (+v) < NO α: 23 11Na 19 9F + α < NO NUCLEO STABILE β - : 22 11Na 22 12Mg + e - (+v) < NO β + : 22 11Na 22 10Ne + e - (+v) > SI α: 22 11Na 18 9F + α < NO NUCLEO INSTABILE dec. β + P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.32

33 Decadimento α U 90 Th He Emivita: anni Conservazione energia-quantità di moto l energia cinetica della particella α è determinata univocamente spettro energetico costituito da una sola riga P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.33

34 Decadimento β Il processo è dovuto alle interazioni deboli. La presenza del neutrino spiega lo spettro continuo dell elettrone prodotto: infatti l energia disponibile è suddivisa tra elettrone e neutrino. L energia massima dello spettro corrisponde: T max e P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.34 = M x c 2 M e c 2 M x' c 2

35 Decadimento γ Nella diseccitazione gamma un nucleo passa da uno stato ad energia più alta ad uno stato ad energia più bassa emettendo un fotone di energia pari all energia di transizione. Questo tipo di decadimento avviene generalmente dopo un decadimento α o β, il discendendente viene prodotto in uno stato eccitato e si diseccita gamma. L emissione del fotone gamma avviene in tempi dell ordine s. Come l elettrone nella struttura a shell dell atomo, anche il nucleo è caratterizzato da livelli discreti di energia. Le transizioni tra questi livelli possono aver luogo a seguito dell emissione (o assorbimento) di radiazione e.m. di energia pari alla differenza di energia tra i livelli : questi fotoni sono chiamati raggi gamma (energie da 100 kev a MeV). Esempio di decadimento gamma Co 28 Ni * + e + ν e Ni + γ P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.35

36 Attività radioattiva Attività radioattiva = n. decadimenti/s rate tasso ( velocità, frequenza ) di decadimento Unità di misura SI: becquerel 1 Bq = 1/s dimensionalmente uguale all hertz 1 Bq = 1 decadimento al secondo unità troppo piccola Unità pratica: curie: attività di 1 g di radio (decadimento α: 234 Ra 230 Rn, τ = 1620 anni) 1 Cu = Bq P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.36

37 Legge esponenziale negativa Il decadimento radioattivo è un processo statistico a probabilità costante (= indipendente dal tempo) Il n.di nuclei rimasti diminuisce nel tempo con legge esponenziale negativa... provare per credere... lancio delle monete P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.37

38 Legge del decadimento radioattivo Il numero dei nuclei che decadono nell unità di tempo è proporzionale al numero di nuclei presenti: -Δn/Δt n -Δn/Δt = λ n n(t) = n 0 e - λt n(t) = n 0 e -t/ τ Attività a = -λn λ = costante di decadimento 1/λ = τ = vita media Attività: a(t) = a 0 e -λt =a 0 e -t/τ P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.38

39 Periodo di dimezzamento Vita media τ = tempo dopo il quale rimangono il 37 % dei nuclei (=1/e) Periodo di dimezzamento T 1/2 = tempo dopo il quale rimangono il 50 % dei nuclei n n n 0 0 n(t) T 1/2 τ T 1/2 <τ Relazione tra τ e T 1/2 : n(t 1/2 ) = n 0 /2 = n 0 e -T 1/2/τ e -T 1/2/τ = 1/2 -T 1/2 /τ = ln ½ = -ln2 = T 1/2 = τ P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.39 t

40 Misura di vita media Misura di attività (contatore Geiger) n n a = = = n t τ T 1/ n T1/2 = R Esempi di periodi di dimezzamento: decadimento T 1/2 3 H (β) anni 14 C (β) 5730 anni 40 K (β) anni 60 Co (β) 5.7 anni 137 Cs (β) 30 anni 131 I (β) 8 giorni 222 Rn (α) 3.82 giorni 235 U (α) anni 238 U (α) anni P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.40

41 Misura di vita media: esempi Vite medie lunghe Variazione trascurabile di attività nel tempo una sola misura di attività a Δ = N Δ t τ N N a N aa Es. vita media del Sm Misura: a=680 Bq da 1000 g τ = N a = = NA = aa = τ = 18 A = (680 Bq) 147 s = Es. 11 y C C 1 2 Vite medie brevi Variazione apprezzabile di attività nel tempo (Almeno) due misure di attività = = C C a 1 2 a ( ) N ( t ) t t = 1 1 ( ) N ( t ) t t = 2 = 2 e e t t 1 2 τ τ = e (t 2 t t t1 ) τ τ τ = = N N τ 0 0 e = e t 1 t 2 τ (t 2 ln τ t t τ - t 1 C 1 C 2 Es. vita media di un radionuclide 2 misure a 24 h di distanza per 30 min C 1 =9000 C 2 =7380 Bq τ (t -t ) = 2 1 ln = C s 1 C 2 = ( d s) ln 9800 τ ) Es. ( ) 7380 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.41

42 Misura di vita media: esempi Qual è la vita media di un radionuclide se dopo 155 ore, l attività si è ridotta al 20% di quella iniziale. a(t) = a 0 e -t/τ 0.20 a 0 = a 0 e -155/τ ln(0.20) = -155/τ τ = -155 / ln(0.20) = 96.3 h 4 d Es. Es. l attività è passata in 5 min da un valore iniziale a 0 =10 4 Bq a un valore a(t)= Bq. a(t) = a 0 e -t/τ = 10 4 e -5/τ ln( /10 4 ) = -5/τ τ = -5/ln( )= 14 min P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.42

43 Tempi di decadimento: esempi Es. In un laboratorio di ricerca si sta utilizzando il radioisotopo 24 Na, che ha tempo di dimezzamento di 15 ore. L autorità di controllo ha rilevato un attività 100 volte maggiore del limite accettabile, e impone la chiusura del laboratorio fino a che la radioattività non scenda a livelli accettabili. Per quanto tempo dovrà rimanere chiuso il laboratorio? a(t) = (1/100) a 0 = a 0 e -t/τ, con τ = T 1/2 / = h ln 0.01 = -t/τ t = -τ (ln 0.01) = 100 ore P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.43

44 RADIOATTIVITA NATURALE Radionuclidi primordiali e cosmogenici Equilibri radioattivi Famiglie radioattive naturali Radon Datazione archeologica P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.44

45 Radioattività naturale Sorgenti extraterrestri Raggi cosmici Sorgenti terrestri Radionuclidi naturali Radionuclidi naturali primordiali Formazione del Sistema Solare ( anni) Radionuclidi naturali cosmogenici Reazioni nucleari tra raggi cosmici e atmosfera P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.45

46 Raggi cosmici I raggi cosmici che colpiscono lo strato esterno dell'atmosfera sono detti raggi cosmici primari e sono principalmente protoni di alta energia. Nel loro rapido viaggio verso la superficie terrestre, essi collidono con gli atomi nell'aria, creando sciami di nuove particelle e di antiparticelle che costituiscono i raggi cosmici secondari. Questo fenomeno è all'origine della pioggia cosmica che investe la terra. Dalla sua analisi, negli anni '30, furono scoperte il positrone, la prima particella di antimateria, e le prime particelle elementari, il pione e il muone. All'interno della pioggia cosmica ci sono anche neutrini. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.46

47 Equilibri radioattivi Caso generale: radionuclide X 1 che decade formando un altro radionuclide X 2, che a sua volta decade formando un terzo radionuclide X 3, etc Decadimento a cascata: X X 1 2 X 3 X N Caso più semplice: X X 1 2 con X 2 stabile λ t ( t) = N e N ( ) ( λ t t = N + N 1 e ) N P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.47

48 Equilibrio transitorio Se il nuclide padre ha una vita media più lunga del nuclide figlio (λ 1 <λ 2 ), si raggiunge uno stato di equilibrio transitorio: dopo un certo tempo il rapporto tra le attività diventa costante. All equilibrio l attività del figlio sarà maggiore o uguale di quella del padre e, da quel momento, le attività di entrambe le specie diminuiranno col tempo di dimezzamento del padre (apparentemente, il decadimento del figlio ègovernato dal T 1/2 del padre) ATTIVITA' (%) EQUILIBRIO TRANSITORIO (T1/2 padre=1; T1/2 figlio=0,1) Att(padre) Att(figlio) Att(tot) T TEMPO (frazioni di T1/2 padre) 1/2 -padre/t 1/2 -figlio = 10 Tempo espresso in unità T 1/2 -padre P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.48

49 Equilibrio secolare CASO PARTICOLARE: nel caso-limite in cui il radionuclide padre ha una vita media molto più lunga del radionuclide figlio (λ 1 << λ 2 ), dopo un certo tempo si raggiunge uno stato di equilibrio secolare: le attività di padre e figlio diventano uguali: A 2 =A 1 In generale, se in una serie radioattiva del tipo X X 1 2 X 3 X N risulta ad un certo punto della catena: λ i << λ i+1, λ i+2, λ N-1 allora per tutti i nuclei che seguono l i-esimo decadimento vale la relazione: A i (t) = A i+1 (t ) = = A N-1 (t ) P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.49

50 Decadimenti a catena decadimenti dell'isotopo 232 Th N 232 Th decadimento α decadimento β Ra 224 Ra 220 Rn 216 Po 212 Pb 212 Bi 208 Tl 212 Po 208 Pb (stabile) Ac 228 Th Z Z α : (Z, N, A) (Z 2, N 2, A 4) β : (Z, N, A) (Z+1, N 1, A) (con emissione di neutrini) β + : (Z, N, A) (Z 1, N+1, A) (con emissione di neutrini) γ :(Z, N, A) (Z, N, A) P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.50

51 Famiglie radioattive naturali Tre famiglie radioattive presenti in natura, in equilibrio secolare, con capostipiti a vita media a quella della Terra (10 9 anni) e» di quella dei discendenti Serie dell Uranio (famiglia 4n+2) capostipite: 238 U T 1/2 = anni Serie dell Attinio (famiglia 4n+3) capostipite: 235 U T 1/2 = anni Serie del Torio (famiglia 4n) capostipite: 232 Th T 1/2 = anni P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.51

52 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.52

53 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.53

54 P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.54

55 Datazione radiometrica Se un corpo contiene nuclei radioattivi quando si forma, il decadimento dei nuclei scandisce il trascorrere del tempo come un orologio. Un applicazione importante della radioattività naturale è la datazione radioattiva, essa utilizza la radioattività naturale per la determinazione dell età di campioni archeologici o geologici Es. datazione radiometrica basata sul 14 C serve per stabilire da quanto tempo una sostanza vivente è morta (va bene per reperti archeologici) Quando un organismo vivente muore non assorbe più 14 C la cui percentuale diminuisce esponenzialmente con la legge N C C C ( 6p+ 8n) ( 6p+ 6n) = t / τ ( t) = N14 ( 0) e C costante a causa della produzione di nell atmosfera τ T ( 14 C ) 1/ 2 14 N 14 C = 8268 anni = 5730 anni Es. datazione radiometrica basata sull U serve per stabilire l eta delle rocce. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.55

56 A N A massa numero λ se A(t) Es. determinare l attivita di un g di 14 C in un organismo vivente. Es. determinare l attivita di un g di 14 C in un organismo vivente. Il rapporto tra il numero di atomi 14 C e 12 C e costante in un organismo vivente = = T Attivita 1 2 l' organismo = massa di A di 0 e -λt di 1g un atomo atomi T 1 2 ' naturale di 14 muore un di = atomo in C g g di non 0.23 Bq = 5.02 anni 14 e in numero C in assorbe λt grammi λ un di piu' P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.56, 12 atomi organismo 14 N C C = A in = ( + 8n) 1 = 11 ( + 6n) C 6p C 6p = un a g di vivente N l' attivita' A 12 C atomi = = Nλ 6.02 = 5.02 = decresce Bq

57 L ENERGIA NUCLEARE Sorgenti di energia Fissione nucleare Fusione nucleare Applicazioni Un po di storia Reattori nucleari Centrali nucleari La bomba atomica Le mine antiuomo Chernobyl Il nucleare in Italia Il nucleare in Europa P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.57

58 La fissione nucleare I nuclei pesanti (Z>92), se bombardati ad es. con neutroni, tendono a decadere spezzandosi in due nuclei di massa circa metà di quella di partenza, emettendo inoltre altri neutroni, che possono provocare una reazione a catena. Nella fissione viene emessa energia: circa 200 MeV (contro i 20 ev delle reazioni chimiche) n * U 92 U 56 Ba + 36 Kr + Xe + Sr n 2 n 1g di fissione kwh di energia = consumo familiare di 5 anni!!! P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.58

59 La fusione nucleare I nuclei leggeri (Z<15), in condizioni particolari (es. altissime temperature) in cui riescono ad avvicinarsi l un l altro a piccolissime distanze, possono fondersi a due a due in nuclei più pesanti. Nella fusione viene emessa energia: alcuni MeV (contro i 20 ev delle reazioni chimiche) Nel Sole, a ogni secondo, kg di idrogeno si convertono in kg di elio; i restanti 4500 kg diventano energia che viene irraggiata nello spazio. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.59

60 Verso l energia nucleare: le tappe Dai fenomeni naturali : Roentgen raggi X 1896: Becquerel radioattività naturale 1898: Curie elementi radioattivi 1899: Rutherford radiazioni α, β, γ 1905: Einstein E=mc 2...ai fenomeni artificiali 1919: Rutherford reazioni nucleari 1932: Chadwick neutrone 1934: Curie produzione di radioisotopi 1934: Fermi neutroni lenti su uranio 1938: Hahn-Strassmann fissione 1942: Fermi reattore nucleare P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.60

61 I neutroni lenti e l uranio 1932: scoperta del neutrone Il neutrone è neutro, e quindi non è soggetto a repulsione elettrica. Ha quindi un elevata capacità di penetrazione nel nucleo. Bombardando nuclei di uranio con neutroni si ottengono moltissime sostanze radioattive. Se i neutroni passano attraverso sostanze particolari (moderatori: es. acqua o paraffina) che diminuiscono la loro velocità, l effetto radioattivo aumenta molto. Inoltre vengono emessi altri neutroni che possono essere utilizzati a loro volta per continuare il processo a catena. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.61

62 Reazioni a catena La fissione nucleare può avvenire con reazioni a catena. Se controllata, è una enorme sorgente di energia! Se incontrollata, ha effetti devastanti! P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.62

63 Il reattore nucleare Cubo di grafite (moderatore dei neutroni) barre di uranio barre di controllo di boro e cadmio (assorbitori dei neutroni in eccesso) Pila di Fermi, Chicago 1942 Sollevando o abbassando le barre di controllo, è possibile innescare o bloccare la reazione a catena. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.63

64 Centrali nucleari Reattore protetto da una campana di rivestimento + sistema di raffreddamento in cui circola acqua. L acqua trasformata in vapore mette in azione una turbina collegata con un alternatore che produce energia elettrica. Il vapore uscito dalla turbina passa in un condensatore dove viene raffreddato e trasformato in acqua. Quest'acqua viene di solito inviata al reattore per essere riutilizzata. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.64

65 Verso la bomba Il processo di fissione realizzato da Fermi in Italia nel 1934 viene capito solo nel 1939 da Hahn e Strassmann in Germania. Negli Stati Uniti, dove Fermi e molti altri sono emigrati dopo le leggi razziali del 1938, si teme che la Germania produca la bomba atomica. I fisici europei emigrati negli Stati Uniti, con l appoggio determinante di Einstein, convincono il presidente Roosevelt della necessità di iniziare le ricerche per costruire la bomba prima della Germania. "Se avessi saputo che i tedeschi non sarebbero riusciti a costruire la bomba atomica, non avrei mai alzato un dito. Albert Einstein P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.65

66 Los Alamos Dicembre 1941: gli USA entrano in guerra Estate 1942: Roosevelt crea il Progetto Manhattan per le ricerche sulla bomba atomica Dicembre 1942: Fermi realizza il reattore nucleare (pila di Fermi) Marzo 1943: inizia in gran segreto la costruzione della cittadella di Los Alamos (direttore Oppenheimer) Novembre 1944: si capisce che la Germania non riuscirà ad arrivare alla bomba. Inizia il dubbio degli scienziati: non ci sono più motivi per la bomba. Primavera 1945: alcuni scienziati scrivono a Roosevelt: fermiamoci! Aprile 1945: muore Roosevelt. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.66

67 Via alla bomba! Aprile 1945: Truman nuovo Presidente USA. Finisce la guerra in Europa. Il Giappone non si arrende. Giugno 1945: un gruppo di fisici (Oppenheimer, Fermi e altri) chiede di lanciare subito la bomba sul Giappone; un altro gruppo di fisici (Slizard e altri) chiede di usare la bomba solo nel deserto, a scopo dimostrativo. Truman decide per il lancio sul Giappone. Luglio 1945: pronti 2 tipi di bombe, a uranio 235 e plutonio 239. Lancio dimostrativo nel Nuovo Nessico: potenza: tonnellate di tritolo. Ultimatum al Giappone: respinto. 6 agosto 1945: Hiroshima 9 agosto 1945: Nagasaki P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.67

68 La bomba atomica Principio contrario a quello del reattore: fissione totalmente incontrollata. la bomba di Hiroshima Tempi accelerati: uso di neutroni veloci eliminato il moderatore Si ha fissione quando l uranio supera una certa massa critica per programmare l esplosione, il combustibile viene suddiviso in più parti, e la reazione viene innescata mediante un normale esplosivo, posto sulla testata, che fa scontrare le diverse parti di uranio. In base ai danni che si vogliono procurare, l esplosione viene fatta avvenire a una certa quota, determinata da un altimetro. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.68

69 Hiroshima e Nagasaki Hiroshima uranio % distruzione morti Nagasaki plutonio % distruzione morti La scienza in crisi Prima bomba: necessaria? sgomento... Seconda bomba: inutile! rabbia!... P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.69

70 Lo sminamento umanitario L energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO. Ogni anno: vittime per vecchie mine antiuomo (20% bambini). Sminamento troppo costoso: ispezione del terreno con sensori di anomalia allarme estrazione e neutralizzazione esplosivo tempo: > 30 minuti costo: $ falsi allarmi: 99 % Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale) I terreni minati sono ricchissimi di azoto P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.70

71 Il nucleare contro le mine antiuomo INFN Pavia, Padova, Bari. Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare unaanomalaquantitàdiazoto. Reazione di cattura neutronica: 14 N + n 15 N + γ (E γ =10.8 MeV) Metodo proposto: tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot neutroni da fissione spontanea di 252 Cf rivelazione dell energia mediante scintillatori analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni intervento umano solo dopo la conferma P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.71

72 L energia nucleare è buona o cattiva? Come ogni cosa, ha vantaggi e svantaggi. Fissione: + facile innesco e controllo - costo e produzione combustibile forte inquinamento radioattivo pericolo di catastrofe Fusione: + disponibilità illimitata combustibile nessun inquinamento - difficile innesco (altissime temperature) fusione fredda?... P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.72

73 Energia nucleare P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.73

74 Il disastro di Chernobyl Chernobyl, Ucraina, 26 aprile 1986 Per un test:interruzione del vapore + disattivazione sistemi di sicurezza reazione a catena incontrollata energia 100 volte superiore aumento di temperatura fusione del reattore aumento di pressione esplosione del tetto incendio della grafite per 10 giorni Nube radioattiva in tutta Europa: 131 I T 1/2 8 giorni 137 Cs T 1/2 30 anni P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.74

75 Chernobyl prima e dopo P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.75

76 Il nucleare in Italia Dopo il disastro di Chernobyl, in Italia si diffonde tra l opinione pubblica un sentimento di ostilità e di rifiuto nei confronti dell energia nucleare: i risultati di tre referendum popolari (1987), pur riferendosi ad aspetti puramente tecnici del nucleare, sono interpretati dalla grande maggioranza delle forze politiche e dai cittadini come un netto rifiuto della politica energetica nucleare. In Italia non esistono più centrali nucleari: le 4 esistenti, a Caorso (PC), Trino (VC), Latina, Garigliano (FR), sono state smantellate, e nessun altra verrà più costruita. Ma l Italia deve importare una enorme quantità di energia dai Paesi vicini (es. Francia). E se avvenisse un incidente ai nostri confini... P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.76

77 Il nucleare ai nostri confini Dal 1987 l'italia ha chiuso col nucleare, ma 13 centrali straniere sono a un passo da noi. L'Anpa (Agenzia nazionale per la protezione ambientale) le considera come se fossero praticamente nel territorio italiano, per le conseguenze di un incidente sulla popolazione e sull ambiente. Mappa delle fonti di un possibile inquinamento nucleare per l Italia. Il nostro Paese è circondato da una serie di centrali nucleari stanziate a pochi centinaia di km dai confini. Sono evidenziati in rosso i centri di rilevamento di radiazioni che dovrebbero dare tempestivamente l allarme in caso di incidente nucleare. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.77

78 Il nucleare in Europa P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.78

79 Rinunciare all energia nucleare? La verità è che non vi abbiamo mai rinunciato... L'energia elettronucleare soddisfa il 18% del fabbisogno elettrico mondiale e il 35% di quello europeo. Dal 1995 a oggi, anche l'italia ha importato elettricità nucleare dall estero per quote variabili fra il 14 e il 18%. Con la decisione di fermare le nostre centrali non abbiamo rinunciato all'energia nucleare: l'abbiamo resa una nuova fonte d'importazione. Nel frattempo il nostro sistema energetico continua a dipendere per oltre l'80% dall'estero. P.Maestro Introduzione alla Fisica Nucleare pag.79