FISICA NUCLEARE

FISICA NUCLEARE
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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
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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
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• Considera le proprietà del nucleo: non studia
quindi i legami elettronici tra diversi elementi ma
le caratteristiche del nucleo (stabilità,
decadimento, fissione, fusione, …)
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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:
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A
ZX
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LE DIMENSIONI ATOMICHE
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GLI ELEMENTI CHIMICI
Nella tavola periodica di Mendeleev gli elementi
sono ordinati in funzione di Z
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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
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LE 4 FORZE FONDAMENTALI
Nel nucleo I protoni risentono di forza elettrostatica e
gravitazionale: ecco un confronto eseguito per
due protoni
FORZA
m pm
FG   G
gravitazionale
r2
FORZA
elettrostatica
FE
1
 
4 
FE
p
  6 . 67  10
q pq p
0
r2
P
 9  10
FG FG
9
 11
(1 . 67  10
(10
 15
 27
)
2
)2
  2  10
 34
N
(1 . 6  10  19 ) 2
 230 N
(10  15 ) 2
P
FE
La forza gravitazionale è trascurabile in fisica nucleare!
I protoni tuttavia dovrebbero respingersi violentemente …
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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
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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
2
2 He
1
1H
2
1H
Deuterio
3
1H
Trizio
Non
esiste!
3
2 He
instabile!
4
2 He
5
2 He
instabile!
La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere
un’altra forza responsabile dei decadimenti
nucleari (radioattivi): la forza nucleare debole
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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
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N
Z
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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)
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DECADIMENTI RADIOATTIVI

+
-
+
+
+
A
Z
X
N

A4
Z  2Y N  2
 24 He
2
Nuclei pesanti
+
A
Z
X
N

A
Z  1Y N  1
 e 
Nuclei con troppi neutroni
+
A
Z
X
N

A
Z  1Y N  1
 e 
Nuclei con pochi neutroni

+
A
Z
X
N

A
Z X N
 h
Spesso dopo decadimento  o 
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CATENE RADIOATTIVE
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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)
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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
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