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Il nucleo dell’atomo
• Ci sono quattroi i i(f ) l
Le forzeinterazioni(forze) tra le particelle:– Gravita’Gravita– ElettroMagnetica– Nucleare Forte
l b l– Nucleare Debole
La forza nucleare forte èresponsabile del legame tra iresponsabile del legame tra inucleoni ed agisce a corto raggio.
Energia specifica di legame tra il inucleoni
La radioattività: i decadimentiLa radioattività: i decadimentiGli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabiliGli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili.Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopiartificiali sono instabili a causa di un eccesso di protoniartificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protonie/o di neutroni. Tale instabilità provoca la lorotrasformazione spontanea in altri isotopi accompagnatatrasformazione spontanea in altri isotopi accompagnatadall'emissione di particelle. Questi isotopi sono dettiisotopi radioattiviisotopi radioattivi.
Fascia di stabilità
Decadimento betaDecadimento beta
• Nel decadimento ß un neutrone (protone) nelnucleo si trasforma in un protone (neutrone).p ( )
• A non cambia• Le particelle ß sono elettroni.• L’elettrone emesso NON è un elettrone orbitale;L elettrone emesso NON è un elettrone orbitale;
NON è un elettrone già presente nel nucleoL’ l tt è d tt d t il• L’elettrone è prodotto durante il processodall’energia disponibile
Decadimento beta + e betaDecadimento beta + e beta ‐• Decadimento beta –Decadimento beta
eXX AZ
AZ *1
• Decadimento beta +
eXX ZZ 1
• Decadimento beta +
veYY AA *• Cattura elettronica
veYY ZZ 1
• Cattura elettronica
vXeX AZ
AZ *1 vXeX ZZ 1
Decadimento betaDecadimento beta ‐
Decadimento alfaDecadimento alfa
• Per Z>83 e A>220 il decadimento alfa è favorito• Alfa molto stabile e con alta energia di legameAlfa molto stabile e con alta energia di legame
A X A 4X * Z X Z 2X esempio
222226
esempio
13622286138
22688 RnRa
Decadimento alfaDecadimento alfa
Decadimento gammaDecadimento gammaGran parte deiGran parte deidecadimenti e (nellamaggior parte dellemaggior parte dellereazioni nucleari) lascianoil nucleo in uno statoil nucleo in uno statoeccitato. Questi statidecadono tramitedecadono tramiteemissione di fotoni conenergia tipica 0 1 10MeV eenergia tipica 0.1‐10MeV elunghezze d’onda tra 104 e100 fm100 fm.
Radioattività naturaleRadioattività naturale
Tutti gli elementi sono stati creati all’interodelle stelle (eccetto H e He) da reazioninucleari. Alcuni di loro hanno vite medieche sono comparabile con l’età della terra esono quelli che in parte determinano laradioattività naturale.Un decadimento radioattivo può essereparte di una catena fino a quando non siparte di una catena fino a quando non siraggiunge un elemento stabile
Radioattività naturaleLa trasformazione di un nucleo radioattivo porta allaproduzione di un altro nucleo che può essere
Radioattività naturale
produzione di un altro nucleo, che può essereanch'esso radioattivo oppure stabile.
Questa trasformazione è chiamata decadimentoradioattivoradioattivo.
Di una determinata quantità di un elemento radioattivoDi una determinata quantità di un elemento radioattivoè praticamente impossibile stabilire in che istantedecadrà il singolo atomo ma si può prevederedecadrà il singolo atomo ma si può prevederestatisticamente il decadimento complessivo di tutti gliatomi radioattiviatomi radioattivi
Legge del decadimento radioattivo
Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica:statistica:
dN /dt = -N
N = numero di atomi presenti al tempo t;p p = costante di decadimento: probabilita’ che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di ogni singolo nucleo ha di decadere nell unita di tempo.
Radioattività naturale
Radioattività ‐ Datazione• Il C in natura è al 98,89 % 12C e per 1,18% 13C ambedue
stabili Il 14C è radioattivo ed è formato nell’atmosferastabili. Il C è radioattivo ed è formato nell atmosferacome risultato del bombardamento dei raggi cosmicisull’azoto dell’atmosfera. Il tempo di dimezzamento è5730 anni.
• Quando un organismo muore non è più in equilibrio conil carbone atmosferico e il suo contenuto di 14C decrescesecondo la legge del decadimento radioattivo. Pertantol’età di un campione è misurata dalla sua specifica attivitàl età di un campione è misurata dalla sua specifica attività(attività per grammo) del suo contenuto di carbonio.
La fusione nucleare
d t i triziodeuterio trizio
elio
neutrone
La fissione nucleareFissione SPONTANEA e’ meccanismo piu’ probabile solo per nuclei conA>250, altrimenti decadimento α piu’ favorito
L’unico elemento fissile presente in natura è l’uranio, costituito da una miscela diU235 ,U238 e U234. L’ U238 non è fissile mentre U235 e U234 sono fissili a neutronidi t tt l idi tutte le energie.
La fissione nucleareReazione a catena controllata, il sistema è in grado di controllare lareazione a catena, rallentando la sequenza di propagazione (o effetto valanga)del fenomeno;del fenomeno;Reazione a catena non controllata (quella utilizzata per la bomba atomica), ilsistema non è in grado di controllare l'effetto valanga della reazione che siverifica e si consuma in breve tempoverifica e si consuma in breve tempo.
In caso di massa critica, nella fissionenucleare, il naturale decadimento,radioattivo del materiale fissile determinal'avvio spontaneo di una reazione a catena chesi autosostenta a partire dai neutroni rilasciatidai precedenti eventi o processi di fissione, conconseguente emissione di grandi quantitatividi energia e radiazioni ionizzanti.
La massa critica dipende dalla concentrazione di nuclei 235U
La massa critica è di circa 5 kg per il plutonio 239 e di 10 kg per l’uranio 235;
La fissione nucleareL'uranio naturale è composto da tre isotopi:
U-238 (99,27%); U 238 (99,27%); U-235 (0,72%); U-233 (0,0006%).U 233 (0,0006%).Soltanto gli isotopi U-235 e U-233 sono fissili,
ossia danno luogo a una reazione a fissioneoss a da o uogo a u a ea o e a ss o enucleare. L'uranio U-238 è fertile, può esseretrasformato in materiale fissile plutonio 239 quandoas o a o a e a e ss e p u o o 39 qua doviene bombardato con neutroni lenti. Il processo diarricchimento dell'uranio consente di aumentare lapercentuale dell'isotopo U-235 fissile
La fissione nucleare
Modello a goccia
Assorbimento di un neutrone da parte di U235U235
Stato eccitato dell’ U236U236U
Oscillazione instabile dell’ U236
U236
Scissione in due nuclei di massa intermedia ed emissione di alcuni neutroni
Frammenti di fissione dell’uranio
l h bi l fi i ò i d i i l i di di i i d f i diUn nucleo che subisce la fissione può scindersi in molti modi diversi in due frammenti dimasse intermedie ed è maggiormente probabile che i due frammenti, originati dallascissione di , siano di masse disuguali
Tipica reazione di fissione dell’uranio
nKrBaUUn 3 92141236235
Secondo la particolare reazione, possono venire emessi 1, 2 o 3 neutroni
Il numero medio di neutroni emessi nella fissione di è circa 2,5
Centrale nucleare
Il nocciolo o nucleo è la parte del reattore nucleare a fissione contenente le componenti del combustibile e nella quale avvengono le reazioni nucleari.