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Monaco 2012. richiami essenziali di fisica atomica e nucleare Giovanni Vicari Istituzione Culturale don Carlo Gnocchi Carate Brianza (MB). Monaco di Baviera Istituto Max Planck di fisica del plasma.
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Monaco 2012 richiami essenzialidi fisica atomica e nucleare Giovanni VicariIstituzione Culturale don Carlo GnocchiCarate Brianza (MB)
la società MaxPlanck fu fondata a Gottinga da Otto Hahn nel 1948 succedendo alla Società Kaiser Wilhelm fondata nel 1911. è stata così denominato in onore dello scienziato MaxPlanck, morto un anno prima. • vanta più premi Nobel di qualsiasi altra istituzione mondiale. Monaco di BavieraIstituto MaxPlanck di fisica del plasma
l'Istituto MaxPlanck di fisica del plasma sito a Garching bei München si dedica alla ricerca sulla fisica e tecnologia delle centrali a fusione nucleare. • oggi a Garching è in funzione il tokamak ASDEX Upgrade (dal 1991), il più grande reattore a fusione sperimentale tedesco. Monaco di BavieraIstituto MaxPlanck di fisica del plasma
l’atomol’ipotesi che la materia non sia continua è antica (V sec. a.C.), solo all’inizio del XIX sec. John Dalton fondò la teoria atomica moderna.
la materia è formata da piccole particelle elementari (atomi) • gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali • gli atomi non possono essere né creati né distrutti John Dalton (1803)
1904 J. J. Thomson • 1911 E. Rutherford • 1913 N. Bohr i modelli atomici
secondo il modello atomico di Thomson (a panettone) l’atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa, all’interno della quale sono inserite le cariche negative Joseph John Thomson (1904)
fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. pensandoci, ho capito che questa diffusione all'indietro doveva essere il risultato di una sola collisione e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell'ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico. Ernest Rutherford (1911)
la carica positiva è concentrata in un nucleo piccolo • anche la massa è concentrata nella regione centrale dell’atomo Ernest Rutherford (1911)
il modello di Rutherford è instabile, l’atomo invece è in equilibrio • nel 1884 Johann Balmer, insegnante svizzero, osserva le righe dello spettro di emissione dell’idrogeno Ernest Rutherford (1911)
λ = (364,6 nm) n2/(n2-4) Johann Jacob Balmer (1885)
il momento della quantità di moto è un multiplo intero della costante di Planck (solo alcune orbite sono possibili):m v r = nħ. • l’elettrone in moto nelle orbite circolari non emette radiazione elettromagnetica • la radiazione elettromagnetica è emessa se un elettrone varia in maniera discontinua il suo moto saltando su un’altra orbita: h ν = ΔE. NielsBohr (1913)
ogni atomo è formato da un nucleo (protoni e neutroni) e dagli elettroni che gli orbitano intorno. • i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb. se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili. • si chiama forza nucleare forte quella che rende stabili i nuclei atomici. il nucleo atomico
l'energia di legame è l'energia meccanica necessaria per scomporre un oggetto nelle sue parti. un sistema legato ha un'energia potenziale inferiore a quelle delle parti che lo compongono, ed è per tale motivo che le sue parti restano unite. • per un atomo, l'energia di legame è l'energia di ionizzazione necessaria a separare il nucleo atomico e gli elettroni ponendoli a distanza tale che non interferiscano tra loro. • l'energia di legame nucleare è l'energia necessaria per “rompere” il nucleo di un atomo: Mnucleo < Zmprotone + Nmneutrone l’energia di legame
a partire dagli elementi più leggeri, l’energia di legame cresce con l’aumentare del numero di massa, raggiungendo un valore massimo in corrispondenza del ferro. • poi diminuisce gradualmente fino valori anche insufficiente per mantenere unito il nucleo. come sta insieme il nucleo?
la forza attrattiva su un singolo nucleone è dovuta a tutti gli altri nucleoni del nucleo che si trovano a distanza minore del raggio di azione della forza nucleare: quanto maggiore è questo numero tanto maggiore è la forza attrattiva e quindi l’energia necessaria per strappare un particolare nucleone. questo spiega il valore più basso dell’energia di legame dei nuclei leggeri. come sta insieme il nucleo?
al crescere del numero di nucleoni si arriva a una situazione in cui i nucleoni sono per la maggior parte troppo distanti per esercitare un’attrazione reciproca notevole. per contro, poiché la forza elettrica non diminuisce così rapidamente con la distanza quanto la forza nucleare, nei nuclei più grandi la repulsione elettrica tra i protoni ha un’influenza tutt’altro che trascurabile. come sta insieme il nucleo?
un altro aspetto importante della curva è il picco per il nucleo di 4He, che risulta particolarmente stabile rispetto ai nuclei vicini. • nei nuclei pesanti esiste quindi una situazione favorevole, dal punto di vista energetico, all’emissione spontanea di nuclei di elio. come sta insieme il nucleo?
esperimenti sulla fosforescenza dell’uranio. • un fenomeno del tutto nuovo e inatteso! • le radiazioni dipendevano dal materiale: l'uranio. Antoine Henri Becquerel (1896)
il decadimento α avviene in accordo con la legge di conservazione della massa/energia con l'emissione di una particella, detta appunto particella alfa, composta da due protoni e due neutroni (nucleo di elio) da parte dell'isotopo di un elemento con elevato numero atomico (Z > 83). • perdendo due protoni l'elemento indietreggia di due posizioni nella tavola periodica degli elementi ovvero il numero atomico passa da Z a Z-2. • es. 238U 234Th + α decadimento α
un neutrone decade in una coppia protone-elettrone più un antineutrino elettronico (decadimento β-). • il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono emesse. • es. 60Co 60Ni + e- + ν decadimento β
dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, quando Marie Curie osservò per la prima volta questo tipo di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu Enrico Fermi che, seguendo un'idea di Wolfgang Pauli, introdusse l'idea del neutrino per risolvere un'apparente contraddizione fra i risultati sperimentali ed il principio di conservazione dell'energia. decadimento β
una reazione nucleare è un tipo di trasformazione della materia che, a differenza di una reazione chimica in cui sono coinvolti gli elettroni di legame e forze di natura elettrostatica, riguarda il nucleo dell’atomo di uno specifico elemento chimico, che viene convertito in un altro di diverso numero atomico, coinvolgendo le forze nucleari. • essendo tali forze notevolmente più intense delle forze elettrostatiche le energie in gioco nelle reazioni nucleari sono sensibilmente più elevate rispetto a quelle in gioco nelle reazioni chimiche. reazioni nucleari
un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kriptone bario) e libera tre neutroni e dell'energia. • uno dei neutroni può venire assorbito da un altro nucleo di uranio 235 far continuare la reazione a catena. fissione nucleare
