Principi fisici di conversione avanzata Energetica L S

Principi fisici di conversione avanzata (Energetica L. S. ) G. Mazzitelli ENEA Prima Lezione 1

Forze fondamentali • Forza gravitazionale (Moto dei corpi celesti, meccanica newtoniana) • Forza elettromagnetica (Equazioni di Maxwell) 2

Effetto fotoelettrico 3

Effetto fotoelettrico Fisica classica Ecinetica max proporzionale alla intensità della radiazione (I) L’effetto fotoelettrico è indipendente dalla frequenza Il primo elettrone dovrebbe essere emesso per t>sec Esperimento Ecinetica max è indipendente dalla intensità della radiazione L’effetto fotoelettrico dipendente dalla frequenza Il primo elettrone è emesso istantaneamente La risposta fu proposta da Einstein il quale propose che la luce avesse una natura corpuscolare: i fotoni particelle di massa zero che viaggiano alla velocità della luce ed hanno una energia pari a E=hν h è la costante di Planck h=6. 623 x 10 -34 J. s 4

Diffrazione degli elettroni fotoni elettroni 5

Diffrazione degli elettroni La spiegazione di questo esperimento è solamente possibile assumendo che le particelle hanno una natura ondulatoria la cui lunghezza d’onda detta di De Broglie 6

Prima Lezione • • • I costituenti nucleari Le dimensione e la forma dei nuclei Le masse nucleari e le energie di legame La forza nucleare Il decadimento radioattivo Leggi di conservazione nel decadimento radioattivo Il decadimento alfa Il decadimento beta Il decadimento gamma La radioattività naturale 7

Struttura dell’atomo • Ogni atomo composto da un nucleo centrale che contiene la maggior parte della massa (99, 9%) e da una nuvola elettronica intorno al nucleo. • Il nucleo ha una carica elettrica positiva pari alla carica elettrica negativa degli elettroni per cui il nucleo è neutro. • Il nucleo è composto da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. Protoni e neutroni sono chiamati anche nucleoni 8

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Protoni Neutroni Elettroni • I protoni hanno carica positiva pari alla carica elementare e=1. 6 10 -19 C e massa pari a mp=1. 673 10 -27 Kg • I neutroni sono neutri e hanno massa pari a mn =1. 675 10 -27 Kg lievemente superiore a quella dei protoni. • Gli elettroni hanno carica negativa pari alla carica elementare e=1. 6 10 -19 C e massa pari a me=9. 11 10 -31 Kg 10

L’atomo • Il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni e si indica con Z (numero atomico) • Il numero Z identifica l’elemento e conseguentemente determina le proprietà chimiche. • La somma del numero di protoni e neutroni si indica con A (numero di massa) 11

L’atomo • mp/me mn/me=1836. 15. Come detto la massa è quasi tutta nel nucleo. • Esistono nuclei con lo stesso Z e diverso A. Si dice che per ogni elemento vi sono diversi isotopi. • Raggio degli atomi: 0. 05 0. 2 nm; 12

L’atomo • Nella fisica nucleare è importante conoscere e specificare bene i differenti isotopi per cui un isotopo e identificato dal simbolo chimico X ( da cui si ha Z) e dal numero di massa A , il numero di neutroni sarà allora N=A-Z. AX • Attenzione il numero di massa A non identifica la massa del nucleo ma il numero di nucleoni 13

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Alcuni esempi • L’idrogeno 1 H ha due isotopi il Deuterio (D) 2 H e il Trizio (T) 3 H • Quale l’elemento che ha un isotopo con numero di massa A=235 e che contiene nel nucleo 143 neutroni ? Z=A-N=92 ovverosia l’uranio 235 U 15

Il nucleo • La maggior parte dei nuclei hanno una forma quasi sferica con una densità di carica nucleare piuttosto piatta 70 Ge 209 Bi Nuclear density 12 C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 r(fm) 16

Il nucleo Numero di protoni e neutroni = Volume del nucleo A ∞ R 3 A 4 πR 3 ≈ costante 3 R=R 0 A 1/3 R 0 è determinato sperimentalmente ed è ≈ 1. 2 X 10 -15 m Raggio dei nuclei: 1 7 fm La lunghezza 1. 0 X 10 -15 m è 1 femtometer (fm) o 1 fermi 17

Esercizio Calcoliamo la densità e la massa risultante di un nucleo che abbia un ipotetico raggio di 1 cm La massa di una sfera di raggio 1 Km della nostra materia ! 18