ELEMENTI DI DI OTTICA E FISICA NUCLEARE INSEGNAMENTO COMPLEMENTARE (9 CFU) PER:

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1 ELEMENTI DI DI OTTICA E FISICA NUCLEARE INSEGNAMENTO COMPLEMENTARE (9 CFU) PER: CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE PER LO STUDIO E LA CONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALI E DEI SUPPORTI DELLA INFORMAZIONE Ivan Veronese Orario di ricevimento: lunedì Dipartimento di Fisica Edificio LITA - 5 piano (sezione di fisica medica) Via Celoria 16, Milano ivan.veronese@unimi.it Sito web:

2 PROGRAMMA (1 (1 semestre) Cenni storici Il nucleo atomico (massa, dimensioni, energia di legame) La tavola dei radionuclidi Legge del decadimento radioattivo Tipi di decadimento (alfa, beta, gamma) La radioattività naturale (i raggi cosmici, i radionuclidi primordiali, le serie radioattive) Cenni di interazione della radiazione con la materia (per fotoni e particelle cariche) Metodi e strumenti di rivelazione delle radiazioni La spettrometria gamma La dose, il dose rate naturale e la sua determinazione Fenomeni di luminescenza: termoluminescenza (TSL) e luminescenza stimolata otticamente (OSL) Applicazione delle tecniche TSL e OSL nelle datazione: procedure ed esempi L attivazione neutronica e autoradiografie per attivazione neutronica Richiami ai fenomeni ondulatori e alle onde elettromagnetiche Interferenza tra onde Fenomeni di diffrazione per radiazione visibile e raggi X Esempi ed esercizi sui vari argomenti trattati

3 UN UN PO PO DI DI STORIA Scoperta dei raggi X (Röntgen) 1896 Scoperta della radioattività (Becquerel) 1898 Isolamento del radio e del polonio (coniugi Curie)

4 UN UN PO PO DI DI STORIA Identificazione di tipi di radiazioni: (Rutherford) Modello atomico di Thompson: modello a panettone 1909 Esperimento di Rutherford (Marsden, Geiger)

5 PREMESSA: ENERGIA E UNITA DI DI MISURA L unità di misura dell energia nel Sistema Internazionale è il joule (J) 1J 1N m 1kg m s In ambito atomico e nucleare è più conveniente utilizzare un altra unità di misura per l energia: l elettronvolt (ev) Un elettronvolt è definito come l'energia cinetica acquistata da un elettrone libero quando è accelerato da una differenza di potenziale elettrico di 1 volt nel vuoto. 1eV J C 1 C J Le energie in gioco nel nucleo sono dell ordine del MeV (10 6 ev), mentre le energie associate agli elettroni nell atomo sono dell ordine dell ev

6 Un nucleo atomico è caratterizzato da: IL IL NUCLEO ATOMICO numero atomico (Z) che indica il numero di protoni numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico. Se indichiamo con N il numero di neutroni, possiamo scrivere: A=N+Z. Elettroni (-) Protoni (+) Neutroni (neutri) A X Z N Interazione forte interazione coulombiana (elettrostatica) ISOBARI ISOTOPI ISOTONI Nuclidi con eguale numero di massa A Nuclidi con eguale numero atomico Z Nuclidi con eguale numero di neutroni N

7 FORZE NUCLEARI La forza nucleare forte: non dipende dalla carica, quindi non distingue tra protoni e neutroni è a corto raggio : il suo effetto si fa sentire solo a distanze estremamente brevi (~10-15 m) E quindi grazie a questa interazione che le particelle del nucleo restano legate, indipendentemente dalla loro repulsione elettrostatica

8 DIMENSIONI, MASSA E STABILITA DEI DEI NUCLEI ATOMICI Un nucleo atomico ha forma pressoché sferica il cui raggio dipende dal numero di massa A secondo la relazione empirica: r r A 1/ 0 r m 1 fermi 1 fm m Assumiamo che il nucleo sia sferico e calcoliamone il volume: V 4 r 4 r 0 A 910 m 45 Il volume di un nucleo è quindi proporzionale al numero atomico. Anche la massa è ovviamente proporzionale ad A. Pertanto la densità nucleare è costante e indipendente dal numero di massa: M V kg A m A kg m 1 cm di massa nucleare ha una massa di x10 8 tonnellate! A g cm

9 DIMENSIONI, MASSA E STABILITA DEI DEI NUCLEI ATOMICI Come unità di massa atomica (u) si assume la dodicesima parte dell isotopo 1 C. Il legame con il chilogrammo è il seguente: 1u kg Se si misura la massa di un nucleo si scopre che essa è leggermente inferiore a quella che si otterrebbe sommando le masse dei singoli nucleoni costituenti il nucleo. Si ha cioè un difetto di massa: m M Z, N Z m N m 0 p n Esempio: deuterio (1p +1 n) m

10 DIMENSIONI, MASSA E STABILITA DEI DEI NUCLEI ATOMICI Il difetto di massa trova spiegazione nella teoria della relatività: E m c Per scomporre un nucleo nelle sue componenti bisogna vincere l interazione forte che tiene uniti i nucleoni. E cioè necessario compiere un lavoro, ossia fornire una energia (energia di legame) Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro che deve essere fatto per separare tutti i nucleoni dal nucleo. Tale difetto corrisponde a una energia che rimane immagazzinata nel nucleo che ne costituisce la sua energia di legame m E c ESEMPIO: M (Z, N) u Z x m p u N x m n u m u E=-m c (MeV) E/nucleone (MeV) 40 Ar Ca

11 DIMENSIONI, MASSA E STABILITA DEI DEI NUCLEI ATOMICI 56 Fe U Fissione nucleare Fusione nucleare

12 DIMENSIONI, MASSA E STABILITA DEI DEI NUCLEI ATOMICI

13 EQUIVALENZA MASSA -ENERGIA L energia equivalente ad una unità di massa atomica è: E mc 7 8 ( 1u) c ( kg) ( m / s) J 1eV J J 91.5 MeV Poiché massa ed energia possono essere trasformate l una nell altra è d uso frequente esprimere l unità di massa atomica in termini di energia nel modo seguente: ( 1u) 91.5 MeV / c Particella Massa (kg) Massa (MeV/c ) Massa (u) Carica (C) Protone Neutrone Elettrone