Fisica nucleare
Difetto di massa:
differenza tra la somma delle masse dei protoni e dei neutroni che
costituiscono il nucleo e la massa del nucleo stesso.
Difetto di massa =
massa nucleoni – massa nucleo = massa che si trasforma nell’energia
necessaria
per costituire il nucleo = energia che il nucleo libera quando si
disgrega nei suoi componenti
Elementi transuranici:
gruppo di elementi chimici con numero atomico maggiore di
corrispondente
a quello dell‘Uranio, il più pesante degli elementi naturali. Non
si trovano in natura ma sono stati preparati artificialmente a mezzo di
appropriate reazioni nucleari. Attualmente se ne conoscono 22 dei quali
i primi 13 sono: nettunio, plutonio, americio, curio, berkelio,
californio, einstenio, fermio, mendelevio, nobelio, laurenzio. Sono
elementi instabili e decadono in elementi con numero atomico più basso.
Solo il plutonio viene preparato in grande quantità perché viene
utilizzato come materiale fissile. Tutti gli altri elementi transuranici
hanno interesse puramente teorico. I transuranici, cioè gli
elementi sintetici costruiti dall’uomo, hanno visto la loro nascita nel
con
la sintesi dell’elemento chiamato nettunio. Il nome deriva dal
fatto che nel sistema planetario solare Nettuno segue Urano.
Elettrone (
):
Particella elementare avente carica elettrica negativa pari a
,
una massa a riposo pari a
ed
una carica specifica
.
La sua massa è circa
la
massa del protone. L’elettrone fu scoperto nel
dal
fisico Thomson come costituente i raggi catodici . E’ stata la prima
particella elementare identificata e studiata . Oggi è la meglio
conosciuta . Il termine fu coniato nel
dal
fisico irlandese Stoney prima ancora che la particella fosse
identificata . Tutte le cariche elettriche osservate risultano essere
multipli interi dell’elettrone che , per questo motivo , è detto quanto
di elettricità . Gli elettroni fanno parte della famiglia dei leptoni ,
e ruotano attorno ad un nucleo carico di elettricità positiva formando
con esso l’atomo . Ogni elettrone possiede un momento angolare
intrinseco , detto spin
, interpretabile come una rotazione continua intorno al proprio asse ed
un momento magnetico intrinseco che lo fa comportare come un aghetto
magnetico . Elettroni vengono emessi dai nuclei di alcuni atomi durante
il fenomeno del decadimento beta .
In questa circostanza un neutrone si trasforma in un
protone più un elettrone ed un antineutrino. Elettroni di conduzione
sono gli elettroni dell’ultima orbita dei metalli. Questi elettroni sono
liberi di muoversi all’interno del reticolo cristallino formato dagli
ioni del metallo considerato. Con questo semplice modello sono spiegate
diverse proprietà fisiche dei metalli, quali la conducibilità elettrica
e l’emissione termoionica . Gli elettroni di valenza sono gli elettroni
dello strato più esterno dell’atomo e sono responsabili di alcune
proprietà chimiche come, ad esempio, la valenza dell’atomo.
Fissione: è una reazione
nucleare nel corso della quale un nucleo pesante, in seguito all’urto di
una particella leggera, si scinde in 2 frammenti approssimativamente
uguali e in 2 o 3 neutroni, con notevole liberazione di energia. Il
fenomeno, scoperto da Hahn e quasi contemporaneamente da
Joliot e Frisch; fu studiato da Fermi mediante il
bombardamento di nuclei di uranio con neutroni rallentati attraverso la
paraffina. L’ipotesi avanzata da Fermi è la seguente: il nucleo di
uranio che cattura il neutrone lento si spacca in due nuclei più leggeri
quasi uguali liberando due o tre neutroni ed una notevole quantità di
energia. L’energia liberata per ogni nucleo di uranio scisso è di circa
.
|
Fissione nucleare:
scissione di un atomo di uranio in due elementi di massa atomica
minore , con emissione di energia e di neutrini. La fissione
controllata dell’uranio
 o
del plutonio
 viene
sfruttata nei reattori nucleari. |
 |
Neutrino: particella
elementare indicata col simbolo
la
cui esistenza è stata dapprima ipotizzata per spiegare il decadimento
e
poi verificata sperimentalmente. Ha massa a riposo nulla, carica
elettrica nulla e viaggia alla velocità della luce ed attraversa senza
interagire anche le sostanze più dense. Gli elettroni emessi nella
radioattività
non
esistono all’interno dei nuclei: essi vengono <<creati>> all’atto della
loro emissione quando un neutrone nucleare si trasforma in un protone ed
assieme a ciascuno di essi viene sempre emessa un’altra particella priva
di carica elettrica e di massa a riposo nulla, un neutrino che
porta con sé una parte dell’energia disponibile.
Neutrone (
):
Particella elementare pesante, elettricamente neutra, elemento
costitutivo del nucleo assieme al protone. Il neutrone ha spin
,
massa a riposo
.
Risulta:
.
Fu scoperto da
Chadwick nel
.
Allo stato libero decade in breve tempo in un protone, in un neutrone e
in un antineutrino. I neutroni possono essere prodotti mediante il
bombardamento dei nuclei con i protoni oppure nei processi di fissione
nucleare. I neutroni possono essere classificati in base all’energia
posseduta . Si parla di neutroni lesti se la loro energia è inferiore a
,
neutroni intermedi se la loro energia è compresa tra
,
neutroni veloci se la loro energia è superiore a
.
Nucleone: indica una
qualsiasi particella elementare (protone, neutrone) presente nel nucleo
dell’atomo considerato.
Nuclide: indica una <<specie>>
di atomo allo stato neutro caratterizzato dal suo nucleo che possiede
A nucleoni dei quali N sono protoni ed N sono
neutroni.
Numero di massa (
):
indica il numero di protoni e neutroni che costituiscono il nucleo
dell’atomo considerato.
Numero Atomico (
):
Indica il numero di protoni presenti nel nucleo dell’atomo considerato.
Isotopi: sono atomi
appartenenti ad un unico elemento ma con diverso numero di massa
A. Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ma diverso
numero di neutroni, presentano le stesse proprietà chimiche ma
differiscono per le proprietà fisiche. Ogni elemento chimico può essere
formato da atomi tutti identici o da più isotopi. Il numero di massa
A che si attribuisce all’elemento è quello dell’isotopo più
abbondante. Gli isotopi possono essere stabili o
instabili (radioattivi) e gli instabili possono essere
naturali o artificiali.
Protone (
)
Particella elementare stabile avente massa a riposo
,
carica elettrica positiva uguale , in valore assoluto , a quello
dell’elettrone, spin
e
momento magnetico pari e
magnetoni
nucleari. Il nucleo dell’idrogeno è costituito da un protone e questi,
pertanto, si identifica con lo ione idrogeno, cioè con l’atomo di
idrogeno privato dell’elettrone periferico. Fu scoperto nel
dal
fisico inglese
Rutherford.
Il numero di protoni e neutroni presenti all’interno del
nucleo di un atomo prende il nome di
numero di massa
e viene indicato col simbolo A, il numero dei protoni presenti
all’interno del nucleo prende il nome di numero atomico e viene indicato
col simbolo Z.
,
differenza tra il numero di massa ed il numero atomico, rappresenta il
numero di protoni presenti nel nucleo. Gli isotopi di uno stesso
elemento hanno lo stesso numero atomico Z, ma differiscono per il numero
N di neutroni presenti nel nucleo.
Radioattività: fenomeno
per cui un nucleo atomico si trasforma spontaneamente (radioattività
naturale) o mediante il suo bombardamento con neutroni (radioattività
artificiale) in un nucleo di un elemento più leggero. Il decadimento
si svolge generalmente attraverso una catena di altri nuclei instabili,
la famiglia radioattiva, fino all’isotopo finale stabile. La
radioattività naturale avviene con emissione di radiazioni di tre
tipi 
,
,
.
I raggi
sono
composti da due protoni e da due neutroni; sono quindi nuclei di elio, i
raggi
sono
costituiti da elettroni dotati di grande velocità, i raggi
sono
costituiti da fotoni ad alta energia e sono quindi radiazioni
aventi la stessa natura della luce visibile , ma con lunghezza d’onda
molto più piccola e perciò di frequenza molto più elevata .I
raggi
sono
onde elettromagnetiche di elevata frequenza.
Per emissione di una particella
il
nucleo di un elemento radioattivo si trasforma in quello di un elemento
con numero atomico inferiore di 2 unità e massa atomica inferiore di 4
unità. Per emissione di una particella
si
ha una trasformazione del nucleo originale in quello dell’elemento di
numero atomico immediatamente inferiore , mentre la sua massa atomica
rimane praticamente invariata. Nel decadimento
il
nucleo perde una carica negativa con emissione di elettroni oppure una
carica positiva con emissione di positroni ed un neutrino.
Le sostanze radioattive naturali si dividono in tre
famiglie dette dell‘uranio
(
)
dell‘attinio 235 (
e
del thorio 232 (
).
Tutte e tre le famiglie terminano con un isotopo del piombo.
Reazione a catena: Si ha
quando i neutroni prodotti dalla prima fissione diventano proiettili
capaci di generare una nuova fissione e così di seguito. Infatti la
fissione del nucleo di uranio è seguita dalla contemporanea
emissione di 2 neutroni i quali, a loro volta, possono colpire altri 2
nuclei di uranio vicini e spezzarli, producendo altri 4 neutroni che
possono spezzare altri 4 nuclei di uranio e così di seguito. Si innesca
una reazione a catena che si propaga rapidamente in tutto il
blocco di uranio , provocando la liberazione di una enorme quantità di
energia. Perché una reazione a catena possa essere
controllata occorre che il numero di scissioni al secondo non cresca
oltre un certo limite. Si realizza questo disponendo nelle massa
dell’uranio degli opportuni assorbitori.
Serie radioattive: I
nuclei radioattivi pesanti, dopo la disintegrazione, danno luogo ad
altri nuclei radioattivi. Si forma così una catena che termina in un
nucleo stabile. Le serie radioattive sono quattro, dette
del torio, dell’uranio, dell’attinio e del nettunio, i cui capostipiti
sono rispettivamente
,
,
,
.
