Radioattività e reazioni nucleari

Dalla struttura atomica
alla nomenclatura
Radioattività
e reazioni nucleari
Capitolo 6
Unità 20
6.1
6.2
6.3
6.4
La chimica nucleare
La scoperta della radioattività
L’era atomica
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
Nuclei stabili e nuclei instabili
Unità 21 Le trasformazioni del nucleo
6.5
Il decadimento radioattivo
6.6
Caratteristiche delle radiazioni emesse
dai radioisotopi
6.7
Il tempo di dimezzamento
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2
Radioattività
e reazioni nucleari
Capitolo 6
Unità 22
6.8
6.9
6.10
6.11
Le reazioni nucleari
Le trasmutazioni nucleari
La fissione nucleare
La fusione nucleare
Confronto tra reazioni chimiche
e reazioni nucleari
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6.1
La scoperta della radioattività
Nel 1896 il fisico francese Antoine-Henry Becquerel
scoprì per caso che i composti dell’uranio emettevano
spontaneamente radiazioni capaci di impressionare
le lastre fotografiche e attraversare la materia.
Per questo motivo il fenomeno
fu chiamato emissione di raggi uranici.
La scienziata polacca Marie Sklodowska Curie
si accorse che il fenomeno si verificava
anche per altri elementi e ribattezzò l’emissione
di raggi uranici con il termine di radioattività.
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6.1
La scoperta della radioattività
La radioattività è il fenomeno per cui alcuni atomi
emettono spontaneamente radiazioni.
Gli atomi in grado di emettere radiazioni
sono chiamati atomi radioattivi.
Il fisico Rutherford, scoprì che le radiazioni
emesse dagli atomi radioattivi derivavano
dai nuclei degli atomi e potevano essere di tre tipi:
raggi a, raggi b e raggi g.
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6.1
La scoperta della radioattività
Il fisico inglese William Crookes si accorse
che la radioattività di un campione di uranio
aumentava nel tempo.
Rutherford e Frederick Soddy spiegarono
l’aumento della radioattività dell’uranio
con l’ipotesi che l’atomo di uranio
si trasforma nell’atomo di un altro elemento
avente una maggiore capacità di emettere radiazioni.
Un atomo di un elemento radioattivo può quindi
trasformarsi in un atomo di un altro elemento.
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6.2
L’era atomica
Nel 1919 Rutherford dimostrò sperimentalmente
che un elemento poteva essere trasformato in un altro.
Gli scienziati iniziarono a trasformare chimicamente
gli isotopi radioattivi degli elementi, i radioisotopi,
bombardandoli con particelle subatomiche.
A partire dal 1929 si costruirono
gli acceleratori di particelle,
apparecchi capaci di accelerare le particelle
per ottenere urti sempre più forti.
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6.2
L’era atomica
A
B
Le particelle accelerate tramite l’azione
di campi elettrici e magnetici, possono seguire percorsi
lineari (A), o circolari (B), prima di colpire il bersaglio.
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6.2
L’era atomica
Quando un nucleo è colpito da una particella
ad alta energia si può scomporre o trasformare,
generando nuovi isotopi o nuovi elementi chimici.
Dal 1941 al 1951 furono preparati artificialmente
una decina di elementi non esistenti in natura.
Nel 1934 il fisico italiano Enrico Fermi
bombardò con neutroni gli atomi di uranio.
Il tedesco Otto Hahn scoprì che, a causa
di questo bombardamento, il nucleo dell’atomo di uranio
si scindeva in due parti e si liberavano tre neutroni.
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6.2
L’era atomica
A seguito degli approfonditi studi guidati da Fermi,
il 2 dicembre 1942 iniziò a funzionare
la prima pila atomica, un sistema capace
di generare enormi quantità di energia
utilizzando le reazioni nucleari.
Nel luglio del 1945, in un deserto degli Stati Uniti,
fu fatta esplodere la prima bomba atomica sperimentale.
Un mese dopo due bombe atomiche
sganciate da aerei americani distrussero completamente
le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki.
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6.3
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
Le reazioni nucleari sono le trasformazioni
del nucleo degli atomi.
La massa del nucleo di un atomo è inferiore
alla somma delle masse dei nucleoni
(le particelle che compongono il nucleo) presenti.
La differenza tra la somma delle masse
dei singoli costituenti del nucleo e la massa
del nucleo è definita difetto di massa.
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6.3
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
Quattro particelle isolate, due protoni e due neutroni,
pesano più delle stesse quattro particelle
riunite in un nucleo atomico.
Nella formazione del nucleo c’è una diminuzione della massa.
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6.3
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
In base all’equazione di Einstein:
E = m · c2
La materia è una forma di energia,
l’energia è una manifestazione della materia.
Le due grandezze sono convertibili l’una nell’altra.
Se diminuisce la massa di un corpo,
diminuisce anche la sua energia.
Quando un nucleo si forma a partire
dai suoi costituenti, diminuisce la massa complessiva
e quindi diminuisce l’energia.
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6.3
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
Il difetto di massa, conseguente al passaggio dai 4 nucleoni isolati
alle 4 particelle unite, corrisponde alla diminuzione di una
grande quantità di energia e al raggiungimento di una elevata stabilità.
L’energia perduta dal sistema si libera nell’ambiente
sotto forma di calore e radiazioni.
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6.3
Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa
Il principio di conservazione della massa
formulato da Lavoisier,
mantiene sostanzialmente la sua validità
in ambito chimico, perché i valori dell’energia liberata
sono così bassi da non determinare
difetti di massa apprezzabili.
Solo quando entrano in gioco le forze che tengono
unite le particelle del nucleo atomico, si possono
liberare quantità di energia così grandi da rendere
apprezzabile la diminuzione della massa.
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6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
Il difetto di massa di un nucleo corrisponde
all’energia liberata durante la sua formazione
oppure all’energia che occorre fornire per separare
e allontanare i nucleoni gli uni dagli altri.
Il difetto di massa è perciò anche
una misura della stabilità dei nuclei.
Quanto più elevato è il difetto di massa
tanto più il nucleo è stabile.
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6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
I neutroni sono responsabili delle forze nucleari
che uniscono tra loro i nucleoni e si oppongono
alle forze elettrostatiche di repulsione.
La stabilità del nucleo dipende dal rapporto
tra il numero dei neutroni e il numero dei protoni.
Quanti più protoni vi sono in un nucleo,
tanti più neutroni occorrono per renderlo stabile.
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6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
Per gli elementi più leggeri, con Z inferiore a 21,
la stabilità del nucleo si ha quando il rapporto tra
il numero dei neutroni e il numero dei protoni vale 1.
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6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
Per gli elementi più pesanti, con Z compreso tra 21 e 83,
la stabilità del nucleo si ha quando il rapporto tra
il numero dei neutroni e il numero dei protoni è maggiore di 1.
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6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
Per gli elementi molto pesanti, con Z maggiore di 83,
la stabilità del nucleo non è mai del tutto raggiunta
con la presenza dei neutroni.
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20
6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
Oltre che dal rapporto neutroni/protoni,
la stabilità dei nuclei dipende dal numero atomico Z.
Il massimo di stabilità si ha per valori
di numero atomico Z compresi tra 20 e 30
All’aumentare del numero atomico,
la stabilità dei nuclei prima aumenta
poi diminuisce.
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21
6.4
Nuclei stabili e nuclei instabili
I nuclei degli elementi più leggeri aumentano
la loro stabilità per fusione, gli elementi più pesanti
aumentano la loro stabilità per fissione.
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22
6.5
Il decadimento radioattivo
l processo attraverso il quale un nucleo instabile
emette spontaneamente radiazioni per stabilizzarsi
prende il nome di decadimento radioattivo.
Il decadimento radioattivo è rappresentato
attraverso una particolare equazione chimica,
chiamata equazione nucleare.
In una equazione nucleare
la somma dei numeri atomici
e la somma dei numeri di massa
devono risultare uguali
in entrambi i membri dell’equazione.
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23
6.5
Il decadimento radioattivo
Il decadimento α si verifica quando
un nucleo emette una particella  .
Il decadimento  riguarda nuclei pesanti (Z>83).
La particella  è costituita da due protoni
e due neutroni.
A seguito del decadimento  il numero di massa
diminuisce di 4 unità e il numero atomico di 2 unità.
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6.5
Il decadimento radioattivo
A seguito del decadimento  ogni atomo
si trasforma in un atomo dell’elemento
che lo precede di due posti nel Sistema periodico.
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6.5
Il decadimento radioattivo
Il decadimento 
può provocare l'emissione di due tipi di particelle,
particelle – e particelle +.
La particella – corrisponde a un elettrone.
La particella + corrisponde a una particella
con stessa massa di un elettrone ma carica positiva
detto positrone.
Nonostante l’emissione delle due particelle
derivi dallo stesso tipo di processo nucleare
i risultati del decadimento sono prodotti diversi.
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6.5
Il decadimento radioattivo
Nel decadimento – un neutrone di un nucleo
si trasforma in un protone
ed emette una particella –.
Il decadimento – riguarda nuclei
con un eccesso di neutroni.
A seguito del decadimento –
il numero di massa rimane invariato
e il numero atomico aumenta di 1 unità.
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6.5
Il decadimento radioattivo
Il decadimento – prevede la trasformazione
di un neutrone in un protone.
Con l’emissione di una particella – l’idrogeno diventa elio
e il carbonio diventa azoto.
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28
6.5
Il decadimento radioattivo
Un elemento radioattivo che emette una particella –
si trasforma in un elemento che lo segue di un posto
nel Sistema periodico.
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29
6.5
Il decadimento radioattivo
Nel decadimento + un protone di un nucleo
si trasforma in un neutrone
ed emette una particella +.
Il decadimento + è più frequente
per elementi a basso numero atomico.
A seguito del decadimento +
il numero di massa rimane invariato
e il numero atomico diminuisce di 1 unità.
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6.5
Il decadimento radioattivo
Un elemento radioattivo che emette una particella +
si trasforma in un elemento che lo precede di un posto
nel Sistema periodico.
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31
6.5
Il decadimento radioattivo
Il decadimento avviene quando
il nucleo di un atomo emette una radiazione .
Una radiazione è un’onda elettromagnetica
ad alta frequenza.
Un nucleone che si trova in uno stato di alta energia
può passare allo stato energetico inferiore
rilasciando la differenza di energia
sotto forma di fotone .
Con il decadimento il numero atomico
e il numero di massa non variano.
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6.5
Il decadimento radioattivo
Quando un radioisotopo subisce un decadimento  o 
il suo numero atomico cambia
e si forma un nuovo elemento.
L’isotopo prodotto dal decadimento radioattivo
potrebbe essere a sua volta un radioisotopo instabile
che decade ancora.
Tutti i radioisotopi che derivano dal decadimento dello stesso
isotopo iniziale costituiscono una famiglia radioattiva.
Le famiglie radioattive naturali sono quattro
e derivano dal decadimento di:
torio-232, uranio-238, uranio-235 e nettunio-237.
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33
6.5
Il decadimento radioattivo
La famiglia radioattiva del torio-232
Dall’isotopo 232 del torio si arriva, dopo una serie
di decadimenti  e  al piombo-208.
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34
6.5
Il decadimento radioattivo
Riassumendo:
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35
6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Un nucleo che contiene troppi
o troppo pochi neutroni rispetto ai protoni
è instabile e tende a trasformarsi,
modificando il rapporto neutroni/protoni,
fino a che non raggiunge il rapporto
cui compete la massima stabilità.
La radioattività è il fenomeno
per cui un radioisotopo emette spontaneamente
radiazioni per trasformarsi in un isotopo stabile.
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36
6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Le radiazioni emesse dai radioisotopi sono principalmente:
radiazioni  (alfa); radiazioni (beta); radiazioni (gamma).
Le radiazioni 
hanno carica elettrica positiva,
le radiazioni 
hanno carica elettrica negativa
e le radiazioni sono neutre.
Tutte le radiazioni sono ionizzanti.
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37
6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Una radiazione  , chiamata anche particella  ,
è costituita da due protoni e due neutroni
e pertanto corrisponde a un nucleo di elio
con due cariche positive.
Queste radiazioni viaggiano a elevata velocità,
ma, per la loro massa relativamente alta,
riescono ad attraversare solo corpi molto sottili
e non sono quindi particolarmente pericolose,
se non vengono introdotte direttamente nel corpo.
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6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Una radiazione , chiamata anche particella ,
è un elettrone emesso da un neutrone
che diventa un protone.
Le particelle sono emesse dal nucleo
ad altissima velocità
e hanno una massa quasi 7000 volte inferiore
e una velocità circa tripla delle particelle 
e sono perciò molto più penetranti
e pericolose.
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6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Una radiazione , o raggio ,
è una radiazione elettromagnetica
ad altissima frequenza.
L’emissione di radiazioni ,
fa diminuire l’energia del nucleo,
ma non la sua massa.
I raggi sono in media 100 volte
più penetranti delle particelle 
e sono sempre pericolose per l’uomo, anche
se sono emesse da sorgenti molto lontane.
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40
6.6
Caratteristiche delle radiazioni
emesse dai radioisotopi
Radiazione
Carica
elettrica
Massa
(u)
Velocità
(km/s)
Penetrazione
(cm di aria)
α (alfa)
+2
4
16 000÷32 000
2,5÷8,5
β (beta)
–1
1/836
96 000÷220 000
30÷300
γ (gamma)
0
0
300 000
>3 000
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41
6.7
Il tempo di dimezzamento
Il decadimento radioattivo è un processo casuale.
Pertanto non è possibile determinare l’istante
in cui un nucleo si disintegrerà, ma si può prevedere
la probabilità che un certo numero di nuclei
si trasformi in un certo intervallo di tempo.
Il tempo necessario per avere il decadimento
di metà degli atomi di un radioisotopo
si chiama tempo di dimezzamento (t1/2)
e ha valore costante per ogni coppia
nucleo genitore / nucleo figlio.
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42
6.7
Il tempo di dimezzamento
Nel caso del decadimento del 32P, ogni 14 giorni la quantità
del radioisotopo si riduce alla metà della quantità precedente.
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43
6.7
Il tempo di dimezzamento
Il tempo di dimezzamento è caratteristico per ogni isotopo e non è
influenzato dalla pressione, dalla temperatura e dai legami chimici.
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44
6.7
Il tempo di dimezzamento
Il metodo radiometrico per determinare
l’età delle rocce si basa sulla costanza
del tempo di dimezzamento.
Scelta la coppia di isotopi più idonea, si misurano
le quantità presenti di nuclei genitori e di nuclei figli
e dal loro rapporto si calcola il tempo intercorso
dalla formazione della roccia.
L’isotopo 14 del carbonio,
che ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni,
si presta bene per datare reperti e rocce
che abbiano meno di 80000 anni.
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45
6.7
Il tempo di dimezzamento
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46
6.7
Il tempo di dimezzamento
Dopo la sua formazione nell’atmosfera da atomi
di azoto, il carbonio-14 si combina con l’ossigeno
e forma diossido di carbonio.
Attraverso la fotosintesi operata dalle piante,
che prelevano il diossido di carbonio dell’aria,
il 14C va a costituire le molecole dei sistemi viventi.
Con la morte e il seppellimento degli organismi
il 14C comincia a diminuire.
La misura della quantità di carbonio-14 rimasta
permette di calcolare l’età del reperto.
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47
6.8
Le trasmutazioni nucleari
Dei 112 elementi del Sistema periodico,
solo una novantina si trovano stabilmente in natura.
Gli altri, gli elementi artificiali, sono stati sintetizzati
dall’uomo bombardando gli atomi di altri elementi.
Gli elementi che seguono l’uranio nel Sistema periodico,
e che sono perciò chiamati elementi transuranici,
sono stati prodotti con reazioni di trasmutazione nucleare.
Il processo con cui un elemento chimico per mezzo
di reazioni nucleari viene trasformato in un altro
prende il nome di trasmutazione nucleare.
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48
6.8
Le trasmutazioni nucleari
Il nucleo di un atomo di azoto, colpito da una particella alfa,
cattura due neutroni e un protone e si trasforma
in un nucleo di ossigeno, liberando l’altro protone.
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49
6.8
Le trasmutazioni nucleari
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50
6.9 La
fissione nucleare
Nel 1938 si scoprì che colpendo un atomo di uranio
con un neutrone si formavano due nuclei, tre neutroni
e si liberava una elevata quantità di energia.
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51
6.9 La
fissione nucleare
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52
6.9 La
fissione nucleare
Il processo per cui un nucleo si scinde per dare
due nuclei più piccoli, particelle subatomiche
ed energia si chiama fissione nucleare.
Nel corso della fissione avvengono tre fenomeni:
l’atomo si spezza in due;
si libera energia;
si liberano tre neutroni.
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53
6.9 La
fissione nucleare
Con la reazione di fissione si ottengono due atomi
più piccoli, quindi più stabili e con minore energia.
L’energia che il sistema perde in questa reazione
viene liberata come calore
e sotto forma di particelle e radiazioni
altamente energetiche, come i raggi g.
I neutroni che si liberano possono colpire altri atomi
innescando nuove reazioni di fissione
e la reazione è una reazione a catena.
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54
6.9 La
fissione nucleare
Se partiamo da una piccola quantità di uranio,
una parte dei neutroni che si produce
esce dal campione e quindi non determina altre reazioni.
La velocità della reazione non aumenta
in modo eccessivo e il processo può essere controllato.
Nelle centrali nucleari la fissione
viene fatta avvenire in condizioni controllate
e il calore prodotto dalla reazione
può essere utilizzato per produrre energia elettrica.
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55
6.9 La
fissione nucleare
Se partiamo da una quantità di uranio elevata, almeno
1 kg circa, la maggior parte dei neutroni «proiettili»
non sfugge dal campione, perché colpisce altri atomi.
La reazione va sempre più veloce,
la quantità di calore prodotto è sempre più grande
e si determina un’esplosione.
Utilizzando per la fissione una quantità di radioisotopo
inferiore a uno dato valore, detto massa critica, si produce
energia a una velocità regolabile; quando la quantità
è maggiore della massa critica, la produzione di energia
non è più controllabile e avviene un’esplosione,
come nelle bombe atomiche.
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56
6.10 La
fusione nucleare
Si può ottenere energia anche unendo due atomi
per sintetizzarne uno più grande.
Si chiama fusione nucleare la reazione
in base alla quale due nuclei atomici
si uniscono per formarne uno più grande.
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57
6.10 La
fusione nucleare
I nuclei di deuterio e di trizio si uniscono
e formano un nucleo di elio, liberando un neutrone ed energia.
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58
6.10
La fusione nucleare
I processi di fusione presentano grandi vantaggi
rispetto a quelli di fissione:
si libera una quantità di energia circa 10 volte
superiore a quella prodotta nei processi di fissione;
gli isotopi dell’idrogeno necessari per la fusione
sono relativamente abbondanti, mentre l’uranio fissile
esistente in natura è una risorsa limitata;
il processo di fusione non ha il problema
della produzione di grandi quantità di scorie radioattive.
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6.10
La fusione nucleare
Affinché a reazione di fusione nucleare possa avvenire
occorrono temperature più elevate di dieci milioni di gradi
per far avvicinare e fondere insieme i due nuclei positivi.
Alle temperature a cui avviene la fusione nucleare
gli atomi si dissociano in nuclei ed elettroni, dando luogo
a uno stato della materia del tutto particolare denominato plasma.
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60
6.11
Confronto tra reazioni chimiche
e reazioni nucleari
Reazioni chimiche
Reazioni nucleari
Coinvolgono solo gli elettroni
degli orbitali esterni
Coinvolgono solo il nucleo
dell’atomo
Non si producono
nuovi elementi chimici
Si possono produrre
nuovi elementi chimici
La velocità di reazione
è influenzata da molti fattori
Il tempo di dimezzamento
è costante
Coinvolgono piccole quantità
di energia
Si possono produrre
grandi quantità di energia
Avvengono comunemente in natura
o si possono realizzare
in un semplice laboratorio
Per realizzarle occorrono
apparecchiature costosissime
e molto sofisticate
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61