FISICA NUCLEARE Atomo e dimensioni atomiche Elementi chimici

FISICA NUCLEARE • • • Atomo e dimensioni atomiche Elementi chimici e isotopi Le quattro forze fondamentali Forza gravitazionale Forza elettrica Forze nucleari forte Forza nucleare debole Stabilità e radioattività Decadimenti radioattivi Il momento magnetico del protone La risonanza magnetica Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 1

LA FISICA ATOMICA e NUCLEARE • • FISICA ATOMICA Considera le proprietà dell’atomo intero, costituito quindi da nucleo ed elettroni. Le proprietà più importanti riguardano i legami, mediante la condivisione di elettroni, con altri atomi (forze elettriche). La fisica atomica studia quindi soprattutto i legami molecolari e le proprietà dei composti chimici FISICA NUCLEARE Considera le proprietà del nucleo: non studia quindi i legami elettronici tra diversi elementi ma le caratteristiche del nucleo (stabilità, decadimento, fissione, fusione, …) Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 2

L’ATOMO Z protoni mp = 1. 67 • 10 -27 kg q = +e = 1. 6 • 10 -19 C N neutroni mn = 1. 67 • 10 -27 kg q=0 Z elettroni me = 9. 07 • 10 -31 kg q = -e = -1. 6 • 10 -19 C Numero di massa: A=Z+N Notazione: Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 3

LE DIMENSIONI ATOMICHE Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 4

GLI ELEMENTI CHIMICI Nella tavola periodica di Mendeleev gli elementi sono ordinati in funzione di Z Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 5

GLI ISOTOPI Gli isotopi di un elemento hanno stesso numero di protoni Z ma diverso numero di neutroni N e quindi diverso numero di massa A Rappresentano una stessa specie chimica ma con diversa massa In natura uno stesso elemento si può presentare in più isotopi che possono essere stabili (cioè rimangono immutati nel tempo) o instabili (cioè si modificano nel tempo) Esistono isotopi prodotti artificialmente dall’uomo Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 6

LE 4 FORZE FONDAMENTALI Nel nucleo I protoni risentono di forza elettrostatica e gravitazionale: ecco un confronto eseguito per due protoni FORZA gravitazionale FORZA elettrostatica FE P FG FG P FE La forza gravitazionale è trascurabile in fisica nucleare! I protoni tuttavia dovrebbero respingersi violentemente … Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 7

LA FORZA FORTE: la colla nucleare All’interno dei nuclei atomici si manifesta una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo la loro repulsione elettrostatica: la forza nucleare forte. • • • E’ sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d 10 -15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 8

LA FORZA NUCLEARE DEBOLE Nei nuclei leggeri si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Elio: Z=2 Idrogeno: Z=1 Non esiste! Deuterio Trizio instabile! La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un’altra forza responsabile dei decadimenti nucleari (radioattivi): la forza nucleare debole Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 9

STABILITA’ Un nucleo è stabile se non si modifica nel tempo. Molti elementi sono stabili solo come isotopi. Nel piano Z-N la zona in cui si concentrano gli elementi stabili è detta “valle della stabilita’” Stabilita’ dei nuclei Nuclei leggeri (Z 20) N =Z Nuclei pesanti (Z > 20) N>Z Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare N Z 10

INSTABILITA’ e RADIOATTIVITA’ Se un elemento è instabile si modifica emettendo una particella o una radiazione (decadimento): questo fenomeno è detto “radioattività” Il nuovo elemento ha un diverso Z Quali nuclei decadono? I 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 (fissione) Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 11

DECADIMENTI RADIOATTIVI + Nuclei pesanti - + + + + Nuclei con troppi neutroni + Nuclei con pochi neutroni + Spesso dopo decadimento o Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 12

CATENE RADIOATTIVE Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 13

MOMENTO MAGNETICO DEL PROTONE e PRECESSIONE 1. Il nucleo dell’idrogeno (ma in genere tutti i nuclei) può essere assimilato ad una sferetta che ruota attorno ad un asse e genera un piccolo campo magnetico (momento magnetico) come una bussola 2. Se si applica un campo magnetico l’asse compie un moto di precessione (simile al moto della terra attorno al suo asse) Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 14

RISONANZA MAGNETICA 3. Un nuovo opportuno campo magnetico può amplificare la precessione fino a ribaltare il momento magnetico (risonanza) 4. Il nucleo a riposo ritorna alla situazione di partenza emettendo una radiazione che può essere raccolta da un rivelatore esterno Liceo scientifico “Don Bosco” Fisica nucleare 15