introduzione - INFN Genova

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI GENOVA
C.L. TECNICHE DIAGNOSTICHE RADIOLOGICHE
CORSO INTEGRATO: MISURE ELETTRICHE ED
ELETTRONICHE
MATERIA: FISICA APPLICATA 2 (2° anno 1° sem)
ARGOMENTO: Cenni di Fisica del
Nucleo
M.Claudia BAGNARA
Servizio di Fisica Sanitaria
A.O. Universitaria S. Martino di Genova
(rev.2009)
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
INTRODUZIONE
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
INTRODUZIONE
• Secoli XVI e XVII: i risultati nel campo
della chimica diedero un notevole
impulso allo sviluppo della teoria
atomica
• I primi esperimenti mostrarono che le
sostanze possono essere suddivise nei
componenti ultimi (“corpi semplici”)
• -> concetto di elemento chimico
• Teoria di Dalton: gli elementi si
combinano tra loro per formare diversi
composti secondo rapporti di peso ben
definiti: concetto moderno di atomo
come particella di dimensioni e peso
caratteristici per ogni elemento
• Acqua: 2 atomi di idrogeno (H) e uno
di ossigeno (O) -> H2O
• La tavola periodica degli elementi
(Mendeleev): regolare comportamento
chimico-fisico degli elementi;
raggruppamento in distribuzione
tabellare a righe e colonne
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
INTRODUZIONE
• Fine XIX ed inizio XX secolo: la
materia è costituita da atomi
• Gli atomi erano considerati i
“mattoni” della materia (atomo:
“privo di parti”, indivisibile)
• Ma come sono strutturati gli atomi?
Inizialmente non è netta la distinzione
tra atomo e nucleo
• La fisica atomica nasce con la
scoperta dell’elettrone (J.J. Thomson
1897)
• Modello di Thomson: atomo come
distribuzione sferica di carica positiva
(10-8 cm), all’interno un numero di
elettroni in numero tale da garantire
carica complessiva nulla (pudding)
• (1896) Becquerel scopre la
radioattività: gli atomi possono essere
instabili, quindi devono avere una
struttura composita
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
INTRODUZIONE
• Il modello classico non spiega ciò che
accade sperimentalmente (esperimento di Rutherford di diffusione di
particelle  su atomi pesanti come Au)
• (1910) Rutherford propone il modello
dell’atomo costituito da un nucleo
positivo attorno al quale orbitano delle
cariche negative
• Ciò è in contraddizione con le teorie
della fisica classica (una carica in moto
in un campo elettrico deve irraggiare
perdendo energia per Bremsstrahlung:
come possono le cariche negative
continuare ad orbitare intorno al nucleo
senza collassare su di esso ?)
• (1913) Bohr: nuovo modello atomico,
basato sulle conseguenze della
quantizzazione del modello atomico di
Rutherford: moderna teoria quantistica
• La fisica nucleare nasce con la
scoperta del neutrone (Chadwick 1932)
• Dettagliate descrizioni dell’atomo e del
nucleo: Heisenberg 1932
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
INTRODUZIONE
• Modello di Bohr: gli elettroni percorrono
orbite stazionarie intorno al nucleo,
senza subire variazioni di energia
• Ad ogni orbita corrisponde un
determinato livello energetico e
l’emissione di radiazione avviene in
seguito alle transizioni elettroniche tra
orbite diverse
• L’atomo emette energia (radiazione
elettromagnetica) se un elettrone si
sposta da un livello energetico
superiore ad uno inferiore, e assorbe
radiazione nel caso contrario
• Configurazione elettronica dell’atomo:
disposizione degli elettroni
• I “gusci elettronici” vengono riempiti in
modo regolare a partire dal primo
livello in avanti; ciascun guscio può
contenere al massimo un numero di
elettroni definito dalla statistica degli
elettroni (fermioni)
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
L’ATOMO
• Ogni atomo è costituito da un nucleo
(r=10-14 m), circondato da una “nuvola”
di elettroni su orbite con r=10 -10 m
• La massa degli elettroni è
estremamente inferiore a quella del
nucleo, ma a causa della loro natura
diffusa, essi occupano molto più spazio
• Un insieme di atomi consiste in pochi
“spot” densi (i nuclei), mentre il resto
dello spazio (virtualmente occupato da
elettroni) è sostanzialmente “vuoto”.
• Se un atomo occupasse un’intera
stanza, il nucleo occuperebbe lo spazio
di una capocchia di spillo al centro di
questa.
• La materia è fatta di vuoto!!!
• A causa del “vuoto” che costituisce la
materia solida, una particella in moto
che attraversa un materiale può
facilmente penetrare diversi atomi,
prima di effettuare una collisione con
una parte qualunque di uno di questi.
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Bagnara - Cenni di Fisica del Nucleo
MASSA ATOMICA
• Legge di Avogadro (1811): volumi
uguali di gas diversi, a P e T costanti e
uguali, contengono lo stesso numero
di particelle (atomi o molecole)
• -> 1 litro di elio o di ossigeno con gli
stessi valori di P e T contengono lo
stesso numero di atomi di He o di
molecole di O2
• Le masse di volumi uguali con identici
valori di P e T sono proporzionali alle
masse delle singole molecole
• Unità di massa atomica (uma): si
definisce esattamente uguale a 1/12
della massa del carbonio 12C
• 1 uma=1.660538·10-27 kg (= 1 u)
• Se espressa in u(ma) la massa
atomica di qualunque atomo è
approssimativamente uguale al suo
numero di massa A.
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NUMERO DI AVOGADRO
• La MOLE (mol) è l’unità di misura della
quantità di sostanza e corrisponde ad
una quantità in grammi pari alla massa
molecolare della sostanza
• Una mole di sostanza (chimicamente
definita) è quella quantità di sostanza
che contiene un numero NA di particelle
identiche (es.: atomi o molecole)
• NA è un numero che è chiamato Numero
di Avogadro (costante universale pari a
NA= 6.022045 x 1023 atomi/mol)
• NA è il numero di atomi che stanno
esattamente in 12 g di 12C
• Si tratta di un numero immenso: con un
Numero di Avogadro di palline da pingpong si ricoprirebbe l'intera superficie
terrestre, oceani inclusi, con uno strato
spesso 80 chilometri !!
• NA atomi occupano un volume dell'ordine
del cm3; quindi le dimensioni dell’atomo
sono dell'ordine di (1 cm3/NA)1/3, pari a
circa 10-8 cm (=10-10 m).
• Densità materia condensata:  (1÷20)
g/cm3 =(1÷20) . 10+3 kg/m3
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L’ATOMO
• Gli atomi differiscono tra di loro per la
diversa composizione del loro nucleo
e per il numero e la disposizione dei
loro elettroni
• Numero atomico Z: numero di protoni
presenti nel nucleo di un atomo (=
num di elettroni per atomo neutro).
• Z va da 1 (idrogeno) a poco più di 100
per gli atomi più complessi
• Le proprietà chimiche di un atomo
sono determinate da Z
Elem.
Simbolo
Z
amu
H
1
1,008
Elio
He
2
4,003
Litio
Li
3
6,941
Berillio
Be
4
9.012
Boro
B
5
10.81
Carbonio
C
6
12.011
Azoto
N
7
14.01
Ossigeno
O
8
16.00
Idrogeno
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LA STRUTTURA ATOMICA
• L’idrogeno è l’atomo più semplice,
con un solo elettrone che si muove
intorno al nucleo
• Il nucleo (carica positiva) tiene
l’elettrone (carica negativa) in uno
stato legato (energia -13.6 eV)
• L’elio ha due elettroni nello stesso
orbitale (K), ma con spin opposti
• Questa configurazione elettronica è
molto stabile, infatti l’elio non
interagisce chimicamente con altri
materiali (gas nobile, o inerte)
• L’idrogeno deve le sua proprietà
chimiche al fatto che tende ad
acquisire un elettrone per portarsi
nella configurazione stabile dell’elio
• L’orbita più interna è chiamata shell K
• Le successive, nell’ordine L, M, N
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LA STRUTTURA ATOMICA
Esempio di orbitali atomici
• Generalmente, un atomo, dal punto di
vista chimico, è particolarmente
stabile se la shell più esterna è
completa
• Se non lo è, tende a renderla
completa, reagendo chimicamente
con altri elementi, in modo da
acquisire gli elettroni mancanti o da
perdere quelli in surplus
• La shell L si completa con il neon
(altro gas nobile, quindi inerte
chimicamente)
• Il carbonio ha 4 elettroni nella shell L,
quindi può formare diversi composti,
acquisendo o perdendo 4 elettroni alla
volta, per acquistare stabilità
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