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IL NUCLEO
Parte centrale dell’atomo, costituita da neutroni e
protoni
IL NUCLEO
Dimensioni atomo: 10-10mDimensioni nucleo: 10-15m
IL NUCLEO
Nonostante le sue dimensioni, nel nucleo è concentrata la maggior parte della massa
dell’atomo(circa il 99,98%)
IL NUCLEO
Costituenti del nucleo
NEUTRONIPROTONI
Sono chiamati collettivamenteNUCLEONI
IL NUCLEO
NUMERO ATOMICO ZNumero di protoni nel nucleo
NUMERO DI MASSA ANumero di nucleoni nel nucleo
NUMERO DI NEUTRONI N
IL NUCLEO
XA
Z
Simbolo chimico dell’elemento
Numero di massa
Numero atomico
IL NUCLEO
Le proprietà chimiche degli elementi dipendono
sostanzialmente dal numero atomico
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero atomico si dicono
ISOTOPI
C146 C126 U23592 U238
92
H11 H21 H31
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero di massa si dicono
ISOBARI
C146 N147 He32 H31
IL NUCLEO
I nuclei con lo stesso numero di neutroni si dicono
ISOTONI
C146 O168
IL NUCLEO
John Joseph Thompson
Scopre l’elettrone e
formula il primo
modello dell’atomo
IL NUCLEO
Ernest Rutherford:
Scopre il nucleo
IL NUCLEO
Rutherford bombarda una sottile lamina d’oro con delle particelle alpha, nuclei di Elio emessi ad alta energia da alcuni elementi
radioattivi
IL NUCLEO
Nel modello di Thompson il nucleo è troppo poco denso per
poter fare da barriera alle particelle alpha
IL NUCLEO
Schema dell’esperienza di Rutherford
IL NUCLEO
Il fatto che le particelle vengano deviate anche a grandi angoli, o
perfino respinte, indica che l’atomo ha una parte centrale
molto piccola e densa
IL NUCLEO
LEGAME NUCLEAREFORZA FORTE
E’ la forza che si esercita tra i quark di cui sono costituiti i
nucleoni
IL NUCLEO
CARICA DI COLORELa forza forte si esercita tra
particelle dotate di “carica di colore”
tra i fermioni: i quark tra i bosoni: i gluoni
Tutte le altre particelle non risentono della forza forte
IL NUCLEO
CARICA DI COLORELe cariche di colore sono di tre
tipiROSSO, VERDE, BLU
Con i loro oppostiANTIROSSO, ANTIVERDE,
ANTIBLU
IL NUCLEO
CARICA DI COLOREI quark possono formare
combinazioni stabili solo se l’insieme delle tre cariche di colore
dà il bianco:
ROSSO+VERDE+BLU=BIANCOROSSO+ANTIROSSO=BIANCO
………….
IL NUCLEO
CARICA DI COLORE I nucleoni sono formati da tre quark, uno per ciascun colore
I mesoni sono formati da due quark di colore opposto e hanno
vita breve
IL NUCLEO
RAGGIO D’AZIONE La forza forte è una forza molto
intensa ma con un raggio d’azione brevissimo. Non ha effetti su scale
superiori a quelle del nucleo
IL NUCLEO
FORZA FORTE
A distanze minori di 10-15m Repulsiva A distanze di circa 10-15m Attrattiva A distanze superiori Pressoché nulla
IL NUCLEO
n p
10-15 m
p
p
n
n
IL NUCLEO
Anche le forze interatomiche
hanno le stesse caratteristiche
IL NUCLEO
Le dimensioni del nucleo sono determinate dal raggio d’azione
della forza forte
IL NUCLEO
Ogni nucleone si riserva un volume di raggio 10-15m circa
Se i nucleoni fossero più lontani non ci sarebbe legame Se fossero più vicini si respingerebbero
IL NUCLEO
Un nucleo con 8 volte più nucleoni ha un volume 8 volte maggiore e un raggio 2 volte
maggiore
IL NUCLEO
Ovvero V ÷ A
r ÷ A1/3
IL NUCLEO
Due protoni vicini
Si attraggono per effetto della forza forte Si respingono per effetto della forza elettromagnetica (cariche uguali si respingono)
IL NUCLEO
Il complesso non può dare una struttura stabile: perché possa formarsi un nucleo un protone
deve diventare neutrone
pp
IL NUCLEO
Un nucleo di soli neutroni non è stabile perché il neutrone non legato a protoni ha una vita
media di circa 15 minuti
n → p + e- + νe
IL NUCLEO
In generale un nucleo, per essere stabile, deve contenere
SIA NEUTRONI CHE PROTONI
I nuclei LEGGERI in genere contengono tanti neutroni
quanti protoni
IL NUCLEO
All’aumentare del numero di massa la proporzione N/Z
aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la
stabilità
IL NUCLEO
All’aumentare del numero di massa la proporzione N/Z
aumenta, cioè sono richiesti sempre più neutroni per la
stabilità
IL NUCLEO
La forza forte, che lega i nucleoni, è a breve raggio: nei nuclei di grandi dimensioni i suoi effetti non si risentono in tutto il nucleo la forza elettromagnetica, repulsiva, è a lungo raggio, quindi i suoi effetti si risentono ovunque
IL NUCLEO
p p
p
p
p
p
pp
nn
nn
n
nn
n
IL NUCLEO
L’effetto “collante” dei neutroni è quindi ridotto nei nuclei di
grande dimensioni
Serve un maggior numero di neutroni per la stabilità
IL NUCLEO
p
p pp
p
p
pp
n
n
nn
n
nn
n
n
n
n
n
IL NUCLEO
ENERGIA DI LEGAME
Energia che serve per strappare un nucleone dal nucleo
Si misura in MeV
JouleMev 13106,11
IL NUCLEO
IL NUCLEO
ENERGIA DI LEGAME
MAGGIORE ENERGIA DI LEGAME = NUCLEO PIU’ STABILE
IL NUCLEO
Si può pensare a un nucleone come ad una pallina dentro a una buca: l’altezza della buca
corrisponde all’energia necessaria per uscirne
Eb
IL NUCLEO
L’energia di legame cresce al crescere di A fino al ferro
Oltre il ferro decresce al crescere di A
IL NUCLEO
DI CONSEGUENZA
I nuclei leggeri hanno un guadagno energetico aumentando il loro numero di massa (FUSIONE) I nuclei pesanti hanno un vantaggio riducendo il loro numero di massa (FISSIONE)
IL NUCLEO
La stabilità dei nuclei
rispecchia la loro
abbondanza nell’universo
Elemento Parti per mil.
Idrogeno 739 000
Elio 240 000
Ossigeno 10 700
Carbonio 4 600
Neon 1 340
Ferro 1 090
Azoto 950
Silicio 650
Magnesio 580
Zolfo 440
Rimanenti 650
IL NUCLEO
Per comprendere tutto ciò bisogna tener presente che:
Le forze attrattive aumentano l’energia di legame Le forze repulsive la diminuiscono La forza forte (attrattiva) è a breve raggio La forza elettrica (repulsiva) è a lungo raggio
IL NUCLEO
In un nucleo piccolo più nucleoni si inseriscono più forte diventa il legame
p
p
pp
nn
n
n
IL NUCLEO
In un nucleo grande i nucleoni non riescono più ad attrarsi tutti
reciprocamente
p
p
pp
nn
n
n
pp
p p
n
n n
n
n
n
n
IL NUCLEO
Così l’aggiunta di nuovi nucleoni non fa aumentare l’energia di legame, anzi
questa diminuisce a causa della repulsione elettrica
p
p
pp
nn
n
n
pp
p p
n
n n
n
n
n
n
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
I nucleoni, come gli elettroni, si dispongono su ORBITALI caratterizzati
ciascuno da un valore di energia (LIVELLI ENERGETICI)
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
Neutroni e protoni sonoFERMIONI (spin = ½)
Quindi su ogni orbitale può stare un numero limitato di nucleoni
determinato da NUMERI QUANTICI
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICI
Il livello più basso (1s) può contenere due nucleoni (neutroni o protoni)
Se questi livelli sono completi il nucleo è particolarmente stabile
IL NUCLEO
LIVELLI ENERGETICIQuesto spiega l’eccezionale stabilità del nucleo di Elio (7 Mev di energia di
legame)
n
np
p
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’
Consiste nell’emissione da parte del nucleo di particelle
α nuclei di elio β elettroni o positroni γ fotoni di alta energia
IL NUCLEO
Henri Becquerel
scopre casualmente
la radioattività
nel 1896
IL NUCLEO
I coniugi Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ ALPHAE’ propria dei nuclei pesanti che, per
conseguire maggiore stabilità, si liberano di nucleoni sotto forma di un
nucleo di Elio
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
E’ propria dei che hanno più o meno neutroni rispetto alla proporzione N/Z
più stabile
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
I nuclei con troppi neutroni tendono a liberarsene trasformandoli in protoni
n → p + e- + νe
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ BETA
I nuclei con pochi neutroni tendono ad acquisirne trasformando protoni in
neutroni p + νe → n + e+
IL NUCLEO
RADIOATTIVITA’ GAMMA
E’ dovuta al fatto che, in seguito ad altri processi nucleari, qualche
nucleone si trova su livelli eccitati
IL NUCLEO
Questi nucleoni decadono sul livello fondamentale emettendo energia sotto
forma di raggi gamma.
IL NUCLEO
I tre tipi di raioattività furono determinati dal modo in cui i raggi emessi da un campione di Radio venivano deviati da un campo
magnetico
IL NUCLEO
I nuclei più pesanti del piombo tendono a trasformarsi in piombo secondo una
serie di passaggi dettaSERIE RADIOATTIVA
Una serie radioattiva prevede tutti e tre i tipi di decadimento
IL NUCLEO
IL NUCLEO
Ogni nucleo radioattivo è caratterizzato da un
TEMPO DI DIMEZZAMENTOCioè dal tempo in cui metà dei nuclei
iniziali di quell’elemento subisce il decadimento
IL NUCLEO
ELEMENTO TEMPO DI DIMEZZAMENTO
RADIAZIONE
Americio 241 432 anni Alfa
Plutonio 239 24400 anni Alfa
Radio 226 1600 anni Alfa
Radon 222 3,8 giorni Alfa
Radon (Toron) 220 55,6 secondi Alfa
Uranio 235 700 milioni di anni Alfa
Uranio 238 4,5 miliardi di anni Alfa
Torio 232 14,05 miliardi di anni Alfa
Stronzio 28 anni Beta
Carbonio 14 5730 anni Beta
Promezio 2,6 anni Beta
Cesio 137 30 anni Beta - Gamma
IL NUCLEO
Minore è il tempo di dimezzamento, maggiore è l’ATTIVITA’ (cioè il numero di particelle emesse in un secondo) del
nucleo
IL NUCLEO
Maggiore è l’attività di un nucleo, maggiore è la pericolosità di
quell’elemento, perché emette un flusso di radiazioni maggiore
IL NUCLEO
Le radiazioni più PENETRANTI, e quindi più pericolose, sono quelle gamma,
seguite da beta e alpha
In compenso i raggi alpha e beta sono molto più IONIZZANTI dei raggi gamma
IL NUCLEO
IL NUCLEO
Per approfondire l’argomento dei danni biologici causati dalle radiazioni si può vedere questa presentazione messa in
rete dall’università di Cagliari
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
E’ la scissione di un nucleo pesante in più parti, dovuta all’assorbimento da
parte del nucleo di un neutrone
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
La scissione di un nucleo pesante è energeticamente favorevole perché i
nuclei intermedi hanno energia di legame superiore a quelli pesanti
L’energia liberata è quasi un MeV per nucleone
IL NUCLEO
Lise Meitner e Otto Hahn,
scopritori della
fissione nucleare
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Le parti in cui si divide il nucleo sono due nuclei di massa intermedia, come rubidio e cesio, e due o tre neutroni
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Il MODELLO A GOCCIA del nucleo spiega la fissione come il risultato di un moto oscillatorio indotto nel nucleo dal
neutrone
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
n
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEAREI neutroni liberati possono a loro volta
provocare fissione in altri nuclei (REAZIONE A CATENA)
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Qui un nucleo di uranio 238 assorbe un neutrone da fissione e si trasforma in
plutonio
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
I nuclei fissili sono quelli più pesanti, sostanzialmente uranio e plutonio
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
L’isotopo fissile dell’uranio è il 235, meno abbondante in natura.
Il 238 subisce fissione solo con neutroni molto veloci
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Per poter utilizzare l’uranio come conbustibile nucleare è necessario aumentare la percentuale di 235
(arricchimento).Infatti, nell’uranio estratto in natura la percentuale di 235 è meno dell 1% e la
reazione a catena non si sostiene
IL NUCLEO
FISSIONE NUCLEARE
Reattori a fissione: arricchimento al 3%(in percentuale superiore nei reattori di
nuova generazione)
Bomba atomica: arricchimento all’85%
IL NUCLEO
URANIO IMPOVERITO
L’uranio 238 scartato nel processo di arricchimento è detto uranio impoverito.Data l’elevata densità di tale elemento,
quasi doppia del piombo, l’uranio impoverito è adatto per contrappesi, oppure per i penetratori delle armi
anticarro a energia cinetica
IL NUCLEO
I carri moderni hanno corazze che rendono quasi inutili le armi a
esplosivo. Per penetrare la corazza si usano delle lance
fatte di uranio impoverito che, con la
loro sola energia cinetica, provocano
l’esplosione del carro
IL NUCLEO
Le zone in cui sono state usate queste armi devono essere bonificate con cura, perchè la polvere di uranio inalata può
essere molto dannosa alla salute
IL NUCLEO
Enrico Fermi, costruisce la prima pila atomica e partecipa
attivamente alla costruzione della prima
bomba atomica
IL NUCLEO
Il reattore di Fermi fu
costruito a Chicago.
Consisteva in una pila di elementi di
uranio e grafite, materiale capace di rallentare i neutroni
IL NUCLEO
Schema di un reattore: il
calore prodotto nel nocciolo vaporizza
l’acqua che aziona le turbine
collegate ad un alternatore
IL NUCLEO
Schema di un nocciolo: le
barre di controllo,
quando sono inserite,
catturano i neutroni e
spengono la reazione a
catena
IL NUCLEO
Perchè si inneschi una reazione a catena esplosiva è necessaria la presenza di una MASSA CRITICAche per l’uranio è di circa 60 Kg
IL NUCLEO
Nei reattori non si raggiunge mai la massa critica quindi questi non
possono esplodere come una bomba
Inoltre la maggior parte dei neutroni è catturata da barre di controllo, e
quindi la reazione procede lentamente
IL NUCLEO
Schema della prima bomba
atomicaLa massa critica viene raggiunta
comprimendo tra di loro per mezzo di un esplosivo convenzionale
due masse subcritiche
IL NUCLEO
La prima bomba
atomica, “little boy”
IL NUCLEO
Signore, alcuni recenti lavori di E. Fermi e L. Szilard, a me comunicati in un manoscritto, mi inducono a sospettare che le acquisizioni sull'elemento uranio possono essere impiegate in una nuova ed importante fonte di energia nel futuro immediato. Aspetti certi di questa situazione, per come si sono determinati, sembrano suggerire una particolare attenzione e, se necessario, un rapido intervento da parte dell'Amministrazione. Credo perciò che sia mio dovere portare alla Sua attenzione i fatti e le raccomandazioni seguenti.Nel corso degli scorsi quattro mesi si è reso evidente- attraverso i lavori di Joliot in Francia e di Fermi e Szilard in America- che può divenire possibile innescare una reazione nucleare a catena in una grande massa di uranio, dalla quale sarebbero generati enorme energia e grande quantità di nuovi elementi radioattivi. Ora appare quasi certo che ciò si possa ottenere nell'immediato futuro. Questo nuovo fenomeno condurrebbe anche alla costruzione di bombe, ed è concepibile- sebbene molto meno certo- che armi estremamente potenti di un tipo nuovo possono essere costruite in questo modo. Una bomba singola di questo tipo, trasportata da una barca e fatta esplodere in un porto, potrebbe distruggere non solo il porto, ma anche parte dei territori circostanti. Comunque, va verificato se tali bombe potrebbero essere troppo pesanti per il trasporto aereo. Gli Stati Uniti possiedono giacimenti minerari di uranio in modeste quantità. Ce n'è qualcuno migliore in Canada e in Cecoslovacchia, mentre la fonte più importante di uranio è il Congo belga. In vista di questa situazione Ella dovrebbe considerare auspicabile un contatto permanente tra l'amministrazione ed il gruppo di fisici che lavora sulle reazioni a catena in America. Una via possibile per raggiungere questo obiettivo potrebbe essere per Lei affidare questo compito ad una persona di Sua fiducia, che potrebbe rivestire un ruolo non ufficiale. Il suo compito potrebbe consistere in: a) avere contatti con Dipartimenti Statali, tenerli informati degli ulteriori sviluppi , proporre strategie per gli interventi dello Stato, prestando particolare attenzione al problema di assicurare un approvvigionamento di uranio agli Stati Uniti; b) accelerare il lavoro sperimentale, che risulta attualmente condizionato dai limiti di bilancio dei Laboratori di ricerca delle Università, provvedendo al rastrellamento di fondi, ove necessario, attraverso contatti con enti e privati, interessati a contribuire a questa causa, e forse anche per ottenere la cooperazione di laboratori industriali che già dispongono delle strutture necessarie. Ho saputo che la Germania ha bloccato la vendita di uranio dalle miniere ceche, avendo conquistato la Cecoslovacchia. Questa decisione repentina è stata probabilmente presa sulla base delle ricerche che il figlio del Sottosegretario di Stato Tedesco, von Weizsacker, ha avviato, al Kaiser-Wilhelm-Institute di Berlino, ricerche simili a quelle degli americani sull'uranio.
Distinti saluti, Albert Einstein
IL NUCLEO
L’ecquipaggio dell’aereo
che la sganciò
IL NUCLEO
L’esplosione su Hiroshima
IL NUCLEO
Gli effetti dell’esplosio
ne
IL NUCLEO
Robert Oppenheimer, capo del progetto
Manhattan per la
costruzione della prima
bomba atomica
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
E’ il processo per cui due nuclei leggeri si uniscono per formare un
nucleo più pesante
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
Il processo è energeticamente favorevole perché i nuclei leggeri
hanno energia di legame inferiore a quelli di massa intermedia
IL NUCLEO
FUSIONE NUCLEARE
Perché la fusione avvenga due nuclei devono superare la
repulsione elettrostatica che tende ad allontanarli
Questo è possibile solo in condizioni di elevatissima temperatura e
densità
IL NUCLEO
Nella fusione di quattro protoni per formare un
nucleo di Elio si ha la
liberazione di circa 7 MeV
per nucleone
IL NUCLEO
Un esempio è la fusione di deuterio e
trizio, in cui si forma un
nucleo di elio e viene liberato un neutrone
veloce
IL NUCLEO
Nella bomba all’idrogeno una piccola bomba a fissione produce
le condizioni di densità e temperatura necessarie perché un nocciolo di deuterio e trizio possa
arrivare alla fusione
IL NUCLEO
L’esplosione della prima bomba H
nell’atollo di Bikini
IL NUCLEO
Alcuni dei “padri” della
bomba all’idrogeno
BETHE
TELLER
SAKHAROV
ULAM
IL NUCLEO
I coniugi Rosenberg vennero
condannati a morte per spionaggio nucleare a
favore dell’URSSNel 1953
IL NUCLEO
EQUILIBRIO DEL TERRORE
E’ la teoria secondo la quale una guerra nucleare tra grandi potenze
diventa impossibile perché entrambi i contendenti ne uscirebbero
totalmente distrutti
IL NUCLEO
PRIMO COLPO
Una potenza nucleare, credendosi in vantaggio rispetto all’altra, potrebbe sferrare un attacco preventivo (primo
colpo) che ne annienti del tutto le capacità offensive)
IL NUCLEO
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD)
La garanzia dell’equilibrio del terrore è che, anche in caso di un devastante primo colpo, la potenza aggredita conservi la capacità di distruggere
completamente l’aggressore
IL NUCLEO
MUTUA DISTRUZIONE ASSICURATA (MAD)
In questa logica lo scopo delle armi nucleari non è quello di colpire
obiettivi militari ma di produrre la massima distruzione possibile
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTIIl mantenimento dell’equilibrio
richiede che ognuno dei contendenti abbia sempre un numero di armi
molto superiore a quello che sarebbe necessario
Questo, negli anni ’80, innescò una corsa agli armamenti che fu una delle
cause del tracollo economico dell’URSS
IL NUCLEO
MOVIMENTO PACIFISTAScienziati, filosofi e intellettuali si
adoperarono per il disarmo nucleare già a partire dalla fine degli anni
quaranta.Tra i nome più illustri Albert Einstein e
Bertrand Russell
IL NUCLEO
MOVIMENTO PACIFISTANel film “Il dottor
Stranamore” (1963) il registra inglese Stanley Kubrick rappresenta lo scoppio di un conflitto
nucleare portando all’attenzione del grande pubblico il
problema della corsa agli armamenti
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTIQuesto fece temere, verso la metà degli anni ’80, che lo scoppio di un conflitto nucleare tra superpotenze fosse non solo possibile ma anche
imminente
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
Il film per la tv “The day after” (1983) di Nicholas Meyer fu la
più realistica rappresentazione delle
conseguenze di un conflitto atomico ed
ebbe una vasta influenza sull’opinione
pubblica
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTIUno degli episodi culminanti della
guerra fredda fu lo schieramento di missili dotati di testata nucleare in Sicilia, cioè a pochi minuti di volo dall’URSS, in risposta all’analogo schieramento di missili da parte
sovietica in Germania Est
IL NUCLEO
Le proteste contro lo schieramento dei missili a Comiso
IL NUCLEO
Nel 1987 il presidente Reagan e il
segretario del PCUS
Gorbaciov firmarono un trattato per lo smantellamento dei missili in
europa
IL NUCLEO
CORSA AGLI ARMAMENTI
I missili furono schierati nel 1983 e
ritirati nel 1991, anno in cui la guerra fredda si era ormai conclusa
con la dissoluzione del blocco sovietico
IL NUCLEO
ARMI NUCLEARI NEL MONDO (testate) Russia 15000 USA 9900 Francia 350 Cina 200 Israele 80 Pakistan 60 India 50 Corea del nord 2?
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