STRUTTURA DELLA MATERIA E INTERAZIONI NUCLEARI
STRUTTURA DELLA MATERIA
E
INTERAZIONI NUCLEARI
I Nuclidi e gli
Isotopi
Con la scoperta dell'atomo nucleare e con i fenomeni
connessi alla sua struttura interna, si
cercò di conoscere anche le caratteristiche del
nucleo e le sue proprietà.
Man mano che le sostanze radioattive venivano scoperte, ci
si pose il problema di come
sistemare i vari elementi nella tavola periodica; a ciò si
trovò rimedio con la scoperta di alcune
sostanze che pur avendo diverse masse atomiche A,
avevano le stesse proprietà chimiche
che dipendono dal numero atomico Z. Il chimico
inglese Frederick Saddy introdusse il concetto
rivoluzionario, a quell'epoca, di ISOTOPIA,
secondo il quale in natura possono esistere elementi
chimici identici pur avendo masse
atomiche differenti.
Egli fece osservare che se due strutture atomiche di
diverse masse atomiche hanno lo stesso
numero atomico Z e dunque , rappresentano lo stesso
elemento vanno posti nel medesimo
luogo della tavola..
Questi elementi con stesso numero atomico Z e diverso
numero di massa A vennero definiti con
il termine di ISOTOPI; questa scoperta fu
un'innovazione perché stravolse la vecchia
concezione dell'elemento chimico formato da
atomi indistinguibili. Oggi la maggior parte degli
elementi è composta da 2 o più
isotopi e dunque ogni specie atomica è costituita da un
insieme di NUCLIDI dove
per nuclidi si intende un nucleo con i propri elettroni orbitali.
La massa media degli isotopi viene chiamata MASSA
ATOMICA , mentre il numero intero più
prossimo alla massa del singolo isotopo, prende
il nome di NUMERO di MASSA A.
I nuclei sono costituiti da particelle con A=1
chiamate NUCLEONI, rappresentati da protoni e
neutroni. Il numero di massa A
esprime dunque il numero totale di protoni e neutroni all'interno
del nucleo; il numero
atomico Z rappresenta invece il numero di protoni pari a quello degli
elettroni che
insieme al nucleo costituiscono l'atomo. Da ciò il numero di neutroni di un nucleo
è
dato dalla differenza tra il numero di massa e il numero atomico: N=A - Z .
Per concludere
dunque diciamo che gli isotopi di uno stesso elemento hanno lo stesso
numero atomico Z e
differente numero di neutroni presenti nel nucleo N. Un'ultima cosa
importante da dire è che il
raggio del nucleo aumenta all'aumentare del numero di massa
A.
Consideriamo ora il nucleo: la massa di esso è uguale alla
somma delle singole masse dei
nucleoni che lo formano. La massa di quest'ultimo comunque
è sempre inferiore alla somma
delle masse delle particelle costituenti. Tale differenza
di massa viene considerata come
l'energia che si libera nell'atto della formazione del
nucleo ed è definita ENERGIA di LEGAME
delle particelle del nucleo, in formula: DE=Dmc2 , dove per Dm si intende la differenza tra la
somma della masse delle
particelle del nucleo e la massa del nucleo stesso mentre, c
rappresenta la velocità di
propagazione della luce nel vuoto. Considerando un isotopo
composto da Z protoni ed N
neutroni, allora:
DE = Z Mh + N Mn - M, dove per Mh si intende la massa
dell'atomo di idrogeno, Mn quella del
neutrone ed M la massa atomica dell'isotopo
considerato.
RADIATTIVITA NATURALE
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Henry Becquerel nasce a Parigi nel 1852 e muore nel 1902;
appartenente ad una progenie di
scienziati, successe al padre come docente di fisica
presso il Museè d'Histoire Maturelle e
proseguì le ricerche, iniziate dai suoi avi, di
alcuni fenomeni connessi con la fosforescenza e la
fluorescenza.
Nel 1890, compiendo alcuni esperimenti che cercavano di
evidenziare l'emissione di raggi X da
parte di metalli resi fluorescenti dalla luce,
Bacquerel scoprì la proprietà dei sali di uranio di
annerire le lastre fotografiche
anche in assenza di luce; successivamente intuì che
l'annerimento delle lastre era
provocato da radiazioni spontanee emesse dall'uranio.
Prudente nelle sue supposizioni, teorizzò la presenza di
altre sostanze radianti dalle proprietà
simili all'uranio; la teoria peraltro rivelatasi
esatta, aprì la strada alle nuove ricerche basate sulla
RADIOATTIVITA' NATURALE.
Primi importanti risultati furono raggiunti da una studiosa
di chimica Marie Sklodowska Curie che
notò che l'emissione radioattiva era proporzionale
alla quantità d'uranio presente e che gli
effetti radioattivi erano indipendenti dalle
condizioni chimico-fisiche del materiale. Inoltre
Madame Curie scoperse altre sostanze con
le stesse proprietà e le denominò POLONIO e
RADIO.
Con il passare degli anni le scoperte si susseguirono, nel
1899 Ruthenford scoprì che un
preparato radioattivo può emettere due diverse specie di
radiazioni e le denominò radiazioni
a e
b ; a queste se ne aggiunse una terza, raggi g , grazie al francese Villard.
Queste tre radiazioni si differenziano sia per la
proprietà più o meno penetrante, sia per la
struttura chimico-fisica;
RAGGI-a : nuclei di elio carichi positivamente
RAGGI-b : elettroni negativi
RAGGI-g : onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda
inferiore ai raggi x.
La radioattività è un fenomeno nucleare: nel ritornare
dallo stato eccitato a quello
fondamentale però, il nucleo emette le radiazioni g . per
quello che riguarda le a e le b ,
avviene una disintegrazione
o una trasformazione del nucleo con l'emissione di una a e una b .
Questi processi possono riassumersi attraverso due regole dette LEGGI DELLO SPOSTAMENTO
RADIOATTIVO e teorizzate da Rutherford e Saddy. La disintegrazione di un isotopo
radioattivo
che emette una particella a può essere rappresentato da queste reazioni
nucleari: ZXa ® Z2Xa-4 + 2 4He + Qa .
In questa formula X rappresenta un elemento radioattivo di
numero atomico Z e numero di
massa A mentre Q é chiamata energia di disintegrazione.
Le reazioni nucleari sono simili alle reazioni chimiche,
infatti se la liberazione di energia é
maggiore di zero allora vengono definite
esoenergetiche nel caso contrario endoenergetiche.
L'energia sviluppata nella reazione
deriva dalla differenza tra la massa del nucleo che si é
disintegrato e la somma delle
masse del nucleo ottenuto e dalle particelle a . Analogamente
al primo caso se un nucleo
radioattivo ZXa emette una particella b l'atomo che si ottiene avrà
uguale numero di massa e la carica del
nucleo ed il numero atomico aumentati di un'unità. La
reazione nucleare che la
rappresenta é:
ZXa ® Z+1Xa +
e- +QB. Per poter rappresentare il
decadimento b é necessario supporre che
nell'istante in cui viene emesso l'elettrone si
ha conversione di un neutrone in un protone, in un
elettrone e in un neutrino secondo la
reazione: 0N1 ® 1P1+1e0+V.
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Periodo di dimezzamento e vita media:
Si definisce PERIODO DI DIMEZZAMENTO di un isotopo
radioattivo l'intervallo di tempo T dopo il
quale la metà degli atomi N0 originari é
decaduta e quindi il numero di atomi ancora presenti si
é ridotto a N0/2.
Consideriamo la legge del decadimento
Nt = N0e-l t
e ponendo
Nt = N0/2
e t = T
si ottiene
N0/2
= N0e-l t
da quest'ultima passando ai logaritmi naturali di ambo i
membri si ha T=0,693/l
come la costante di disintegrazione g , il periodo di
dimezzamento varia con la natura
dell'isotopo considerato.
Passando alla vita media di un nucleo radioattivo, dobbiamo
considerare che la vita reale di
un nucleo radioattivo, cioè il tempo dopo il quale il
nucleo decade, può variare, essendo il
decadimento puramente casuale, fra zero e
infinito. Se invece consideriamo un numero molto
grande di nuclei di un isotopo
radioattivo, il valore medio dei vari tempi di esistenza della
specie considerata
rappresenta una quantità ben definita. Si definisce VITA MEDIA della
sostanza
considerata la grandezza:
t = 1/l = T/0,693 = 1,443 T
La vita media rappresenta l'intervallo di tempo necessario
affinchè il numero di atomi
dell'isotopo originario si riduca alla frazione 1/e = 0,368
del valore iniziale, essendo tutti gli altri
decaduti. La velocità di decadimento
nell'unità di tempo pari a l N prende il nome di Attività.
L'unità di misura
dell'attività é il Curie indicato con il simbolo CI. Questa unità rappresenta
l'attività di un grammo di radio che, per emissione di particelle a , si trasforma in
radon
(emanazione del radio) con un periodo di dimezzamento di 1622 anni. Il Curie
corrisponde a
3,7 * 1010 disintegrazioni al secondo.
Poiché il Curie é un'unità di misura piuttosto grande
vengono usati alcuni
sottomultipli come il Millicurie e il Microcurie. Recentemente é stata
introdotta come
unità di misura il Becquerel, definito dall'attività corrispondente a una
disintegrazione al secondo: 1Bq = 1 disintegrazione/sec. Un nuclide radioattivo (tutti
quelli con
Z > 82) emette radiazioni a b g spontaneamente,
ossia senza alcun rapporto energetico
esterno.
Legge del decadimento radioattivo
La legge del decadimento radioattivo é la relazione che
esprime l'attività di una sostanza
radioattiva in funzione del tempo. Il decadimento di
un nucleo é un processo casuale, cioé é
impossibile determinare l'istante in cui un
nucleo si disintegra mentre si può predire la
probabilità di un numero di atomi di
disgregarsi in un certo istante.
Se consideriamo un campione costituito da N0 atomi di un
isotopo radioattivo, dopo un
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intervallo di tempo D T un certo numero di atomi é decaduto
cioè il numero di atomi ha subito
una variazione -D N. Il numero di atomi decaduti é
proporzionale al numero degli atomi
inizialmente presenti ed all'intervallo di tempo: -D N = a Nt D t dove a è la costante di
proporzionalità
dell’elemento e Nt è il numero di atomi iniziale
Se vogliamo calcolare la velocità di decadimento R questa
risulta uguale a R = -D N/D T per D
N si intende il numero di nuclei
che decadono e il segno meno implica che all’aumentare di T,
N diminuisce.
Con l'introduzione della velocità R la formula -D N = a Nt + D T può essere scritta
nella forma R(t)
= a .N(t).
Una delle scoperte che ha maggiormente influenzato la
società moderna è senza dubbio lo
studio della FISSIONE NUCLEARE. Con gli studi
effettuati da FERMI, si pensò che l’uranio, dopo
essere stato bombardato da
dei neutroni, avesse una radioattività indotta molto superiore a
quella di qualsiasi
altro elemento irradiato dato che
l'uranio 238 decadendo emette una
particella alfa che forma il torio 234 che a sua volta
decade con emissione di una particella
beta, formando il protattinio 234 il quale emette
una particella beta e si trasforma in un nuovo
isotopo dell'uranio, con numero di massa
234.
DECADIMENTO
ALFA
DECADIMENTO
BETA
Questa serie radioattiva, chiamata serie dell'uranio, prosegue in modo analogo e attraverso
ulteriori cinque emissioni alfa e quattro emissioni beta arriva al prodotto finale, ossia un isotopo
non radioattivo (stabile) del piombo con numero atomico 82 e numero di massa 206. Ogni
elemento della tavola periodica tra l'uranio e il piombo è rappresentato in questa serie e ogni
nuclide è distinguibile per il suo
caratteristico periodo di dimezzamento. I membri della serie
hanno tutti una
caratteristica comune: i loro numeri di massa possono essere espressi dalla
semplice
formula 4n + 2, dove n è un numero intero. Un'altra serie naturale è
quella del torio,
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detta serie 4n perché i numeri di massa di tutti i suoi membri
sono esattamente divisibili per 4; vi
è poi quella dell'attinio, o serie 4n + 3.La
serie dell'attinio comincia invece con l'uranio 235
(chiamato attinuranio dai primi
ricercatori) e si conclude col piombo 207.Una quarta serie, la
serie 4n+ 1, nella
quale tutti i membri sono radioisotopi artificiali, è stata scoperta in anni
recenti; il
termine iniziale è l'isotopo curio 241 e l'elemento finale è il bismuto 209. In realtà
il vero
processo era ben diverso dato che soltanto due fisici tedeschi enunciarono a
grandi linee la
definizione di fissione nucleare: dall’urto neutrone-nucleo si genera
una vibrazione che porta il
nucleo di uranio, in fase di instabilità a causa del numero
di protoni è molto elevato(92),a
scindersi in due frammenti radioattivi di massa molto
inferiore, ma con un notevole sviluppo di
energia. Successivamente si scoprì che il
nucleo era accompagnato dall’emissione di neutroni
(mediamente 2,5) in riferimento
alla formula: n+U235 = X + Y + 2.5n + e che potessero quindi
colpire altri nuclei di
uranio innescando una reazione a catena. C’è da aggiungere che la
probabilità di
fissione aumenta se i neutroni hanno una velocità bassa. I neutroni liberati da
una
scissione hanno invece una notevole energia, per cui è indispensabile aggiungere
all’uranio i MODERATORI (ossia carbonio e idrogeno contenuti in acqua) capaci
di attrarre
energia ai neutroni senza però catturarli. Il rapporto R fra neutroni
prodotti e quelli perduti
dipende dal rapporto Area/Volume del sistema di assemblamento
dell’uranio. La MASSA
CRITICA è quindi la quantità più piccola di materia
fissile (R=1).Questa reazione è oggi usata
per produrre energia tramite i reattori
nucleari, costituiti da moderatori di velocità, dal sistema
di regolazione, dai
dipartitori di protezione e di comando e naturalmente dal combustibile
fissile (U238 +
U235). Quest’ultimo non viene usato direttamente perché con la reazione:
92 U238 + n1= 92 U239
+ g
92 U239 = 93 Np239 + b 93 Np239 = 94 Pu239 + b si produce il plutonio che pur essendo una sostanza
altamente inquinante, permette di
rialimentare la fissione. Se R è maggiore di 1 avviene
che la reazione non è più controllabile
perché il deuterio e il trizio si mescolano e
lo sviluppo porta ad una esplosione di proporzioni
impressionanti. Quest’ultimo
fenomeno si verifica nel caso ci sia una esplosione atomica. La
FUSIONE NUCLEARE
invece consiste nell’unione di due nuclei leggeri ( H ,He ) in un unico
nucleo, la
cui massa risulta inferiore alla somma delle masse dei nuclei di partenza. Le 2
reazioni
che seguono rappresentano alcuni tipici esempi di reazioni di fusione nucleare : H + H
= 2H
+ e+ + r + Q (due idrogeni formano un deuterio) 2H + 2H2
= 3H + H + e (due deuteri
originano un trizio e un protone)
I neutroni prodotti provocano una radioattività indotta,
non paragonabile a quella della
fissione, nelle strutture che racchiudono il combustibile.
L’uomo però non è ancora riuscito a
produrre un processo di fusione controllato dal
quale sia ricavabile energia su scala industriale.
Per innescare questa reazione è
necessario avvicinare le particelle ad una distanza di almeno
10-15 metri. Mentre la
fusine di poche coppie di nuclei può essere fornita da ACCELERATORI di
PARTICELLE,
il processo su larga scala potrebbe avvenire solo portando e mantenendo la
temperatura
del sistema intorno ai 10alla7 ° K (ove la materia è presente allo stato di
plasma).Purtroppo però queste temperature sono presenti all’interno delle stelle
dove
avvengono delle REAZIONI TERMONUCLEARI dalle quali deriva anche l’energia
irradiata dal sole. La prima delle reazioni nucleari si
chiama catena dell’idrogeno
ed è la seguente:
H + H = 2H + e + v
H + 2H = 2 3He + g
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2 3He + 2 3He = 2 4He + 2H
+ g
Tramite delle fasi intermedie si perviene alla formazione
di un nucleo di elio di due nuclei di idrogeno, di un positrone, di un neutrino e di un certo numero
di fotoni con un complessivo sviluppo
di energia. La seconda reazione chiamata CICLO del
CARBONIO, pur interessando nel
processo di fusione il carbonio, l’azoto e
l’ossigeno consiste nel convertire in definitiva idrogeno
in elio con la conseguente
produzione di energia che funge come "CATALIZZATORE NUCLEARE
". Alcuni
scienziati stanno lavorando alla realizzazione di un REATTORE A FUSIONE CONTROLLATA
in modo da provocare la famosa "IMPLOSIONE "che
misceli i nuclei di deuterio e di trizio a
temperature molto più basse di quelle del sole
(circa 100 milioni di gradi !).Attualmente sono
state create soltanto due strutture per
confinare queste particelle:
REATTORE A
CONFINAMENTO INERZIALE ;
REATTORE A
CONFINAMENTO MAGNETICO ;
Il primo consiste nel bombardare una miscela di
deuterio-trizio con fasci laser in modo da
innescare
un processo di fusione che garantisce un bilancio
energetico positivo. Il secondo consiste
nell’innescare la fusione riscaldando con
potenti dispositivi un plasma di nuclei leggeri.
Siccome
questa operazione richiede elevate temperature è
necessario confinare il plasma all’interno
delle linee di forza di un campo magnetico
in modo che le particelle formino una
configurazione toroidale chiamata TOKAMAK. Lo
scopo di questi esperimenti è quello di
realizzare energia da fusione almeno in uno
stadio intermedio in cui il plasma possa produrre
tanta energia quanta ne riceve per
essere riscaldato. Esiste però anche un altro tipo di fusione
teorizzata da F.C.FRANK
detta FUSIONE CATALIZZATA da MUONI. Essa consiste nel sostituire un
elettrone dei
due isotopi dell’idrogeno nella miscela di deuterio-trizio un muone in modo da
originare dapprima un atomo muonico, e successivamente una molecola muonica. Il muone,
comportandosi come un elettrone pesante, ha una massa 200 volte maggiore a
quest’ultimo e
tende a facilitare la fusione spontanea della materia nucleare grazie
al CONFINAMENTO
MUONICO che avvicina i nuclei.
La vita media del muone (circa 2,2*10–6 s )
permette di catalizzare ciclicamente circa un
migliaio di coppie di combustibile nucleare
anche se poi si lega all’elio prodotto
interrompendo così la catena del processo.
Attualmente gli obiettivi sono orientati a trovare
una temperatura e una concentrazione di
materiali, tali da limitare la negativa simbiosi del
muone con l’elio, cercando così
di sminuire il costo energetico riguardante la fusione muonica.
Sia la fusione che la
fissione nucleare presentano nel campo del nucleo due diversi tipi di
interazioni
nucleari:
INTERAZIONI NUCLEARI FORTI ;
INTERAZIONI NUCLEARI DEBOLI ;
Le interazioni forti avvengono in particolari fenomeni
nucleari in cui intervengono i Barioni
(particelle elementari con spin semintero) e
i Mesoni (particelle più leggere della classe degli
adroni) oppure si ha una
produzione degli adroni stessi. Questa interazione, il cui raggio
d’azione risulta
pari a circa 10-15 metri, ha una forza molto intensa che è responsabile, ad
esempio, del legame che permette di tenere uniti i neutroni e i protoni all’interno
dei nuclei
atomici ed anche del comportamento che si osserva quando si verificano alcune
collisioni tra
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nuclei e particelle ad alta energia negli Acceleratori di particelle.
Le interazioni deboli racchiudono invece una vasta gamma di
fenomeni quali ad esempio:
Disintegrazione di molte particelle stabili .
Decadimento Beta .
Cattura nucleare di alcune particelle .
Interazione dei neutrini con la materia (anche se poco
probabile) .
Tutti questi fenomeni possono essere racchiusi sotto una
stessa logica, uno stesso
accoppiamento o una stessa struttura. Ritornando
all’esperimento di Fermi del 1933 possiamo
dire che, pur non avendo pienamente
raggiunto il suo scopo, può essere considerato lo
scopritore della cosiddetta Interazione
debole. Questa ha un’intensità piccolissima e si sviluppa
in un vasto arco di
tempo che va da 10-10 secondi fino a 10 3 secondi per il decadimento del
neutrone libero
nonostante abbia un raggio d’azione che agisce a breve distanza. Uno dei
ruoli
fondamentali ricoperti da questa interazione debole è quello di scandire i tempi dei
processi nucleari delle stelle; nel caso in cui queste interazioni venissero a mancare il
sole
esploderebbe generando una reazione termonucleare di fusione. Questi esperimenti oggi
ci
appaiono molto chiari, ma ripercorrendo la storia, possiamo affermare che la maggior
parte di
queste scoperte sono state effettuate soprattutto negli ultimi 80 anni visto che
fino agli anni ’30
si conoscevano soltanto alcune particelle come l’elettrone,
il protone, il neutrone e il fotone. Lo
stimolo che diede il via ad approfondire gli studi
fisici e scientifici furono la TEORIA della
RELATIVITA’ di Einstein, e
la scoperta delle ANTIPARTICELLE da parte di Dirac. Mediante la prima
si
dimostrava, seppure a livello teorico, che era possibile creare da alcune particelle delle
altre
grazie ad un considerevole apporto energetico smentendo così i concetti di
"ultimo" e
"indivisibile". Le antiparticelle di Dirac presentavano la
stessa massa, la carica elettrica opposte
in generale tutte le proprietà intrinseche
uguali o di segno opposto rispetto alle particelle
corrispondenti. Grazie a questi
insegnamenti si sono scoperte, soprattutto negli ultimi 20 anni,
tantissime particelle
prima sconosciute (mesoni, barioni e leptoni) ognuna con evidenti tracce
di struttura
interna, tanto che non si può più parlare di elementarietà della particella. La
maggior
parte di questi corpuscoli ha una vita brevissima nonché sono in continuo
decadimento.
C’è però una famiglia di corpuscoli ancora sconosciuti: le RISONANZE. Questi
corpuscoli possono essere considerati come l’unione di più particelle che, in stato
di
eccitazione, si susseguono in numerosi processi di decadimento. Per conoscere tutte
queste
particelle dobbiamo prima di tutto tenere in considerazione alcune caratteristiche
di esse
come:
La MASSA: se la particella è a riposo la sua massa
non varia; l’elettrone viene
adottato come riferimento per tutte le altre particelle
di massa non nulla; i fotoni, i
neutrini e i gravitoni sono privi di
massa in quanto viaggiano alla velocità della luce e
la loro stabilità non gli permette
di decadere in una massa più piccola. In base alla
loro massa si possono distinguere in Leptoni
, le particelle più leggere; Mesoni ,quelle
di massa intermedia; Barioni ,quelle
più pesanti. Queste ultime due specie possono
essere raggruppate sotto una unica famiglia
chiamata ADRONI.
La CARICA: ogni particella può avere una carica
elettrica, positiva o negativa,
oppure può essere neutra. La carica può conservarsi in
ogni processo ed è anche
chiamata "Quanto elementare di carica". Infatti
essa è considerata la più piccola
esistente, anche se non sarebbe sbagliato ipotizzare
delle " Frazioni di carica ".
SPIN: rappresenta la rotazione caratteristica e
qualificante di una particella, fornito in
termini di momento angolare. Siccome può
assumere dei valori interi o semi-interi
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possiamo distinguere nel primo caso i Bosoni
,nei quali coesistono un qualsiasi
numero di particelle, e nel secondo caso i Fermioni
,nei quali le particelle non
possono coesistere.
VITA MEDIA: per vita media di una particella si
intende quel periodo di tempo
calcolato, ipoteticamente con un orologio che viaggia
insieme alla stessa, dal
momento in cui si crea fino al momento in cui decade in una
particella di massa
minore. In base alla loro vita media le particelle si possono
classificare in Instabili
,con una vita media finita e misurabile, e Stabili
, dalla vita media tanto lunga da
non poter essere quantificata.
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