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Fisica nucleareFisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

pag.1

IL NUCLEO ATOMICO E L’ENERGIA NUCLEARE

Il nucleo atomico• Struttura atomica• Elementi e isotopi• Forze nucleari• Decadimento radioattivo• Fissione e fusione

L’energia nucleare• Reattori nucleari• Centrali nucleari• La bomba atomica• Le mine antiuomo• Chernobyl• Il nucleare in Italia

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pag.2

Ratomo

105 !

Rnucleo

L’atomo

Rnucleo 10-15 m = 1 fm

Ratomo 10-10 m = 1 Å

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

il nucleo è 100000 voltepiù piccolo dell’atomo!

Numero di massa:A = Z + N Notazione:

XAZ

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pag.3

Atomi, nuclei, particelle: le loro dimensioni

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pag.4

Elementi chimici

TAVOLA PERIODICA

DI MENDELEEV

Elementi chimici: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92)

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pag.5

Isotopi

Isotopi: stesso n.protoni Zdiverso n.neutroni N(stessa specie chimica, diversa massa)

stabili radioattivi (naturali e artificiali)

N

Z

Stabilita’ dei nuclei:Nuclei leggeri (Z 20) N = ZNuclei pesanti (Z > 20) N > Z

… come si spiega? …

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pag.6

Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d 10-15 m). Essi risentono delle forze di:

Ma i protoni non si respingono?

attrazione gravitazionale

repulsione elettrostatica

N102)10(

)1067.1(1067.6

r

mmGF 34

215

22711

2pp

G

N230)10(

)106.1(109

r

qq

41

F215

2199

2pp

0E

FE FG FG FEP P

In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica)

i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei

atomici.

A MENO CHE…

?!?

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pag.7

A MENO CHE… All’interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana.

La “colla” nucleare

Caratteristiche della forza nucleare:• E’ sempre attrattiva• Si manifesta solo a distanze d 10-15 m• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni

... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei...

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pag.8

Guardando i nuclei leggeri...

... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile

Idrogeno: Z=1 Elio: Z=2

La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un’altra forza

responsabile dei decadimenti nucleari

H11

H21

H31

Deuterio

Trizio

instabile!

He22

He32

He42

Non esiste!

He52 instabile!

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pag.9

Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo?

Né troppi, né troppo pochi!

N

Z

La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale.Quindi il rapporto tra protoni e neutroni nel nucleonon dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne cheper la repulsione elettrostatica tra i protoni.

Invece si verifica che in natura esistono solo • nuclei leggeri (Z 20) con N Z• nuclei pesanti (Z > 20) con N > ZAltri nuclei non esistono, o – se prodotti

– decadono spontaneamente dopo un certo tempo, emettendo particelle, o trasformandosi in altre specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli.

RADIOATTIVITA’

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pag.10

Radioattivita’

Radioattività = trasformazione spontanea o artificiale dei nuclei con emissione di radiazione corpuscolare particelle elettromagnetica energia

Quando? Nei 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

N

Z

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pag.11

Decadimenti radioattivi

2422

42 HeYX N

AZN

AZ

+

Nuclei pesanti

eYX N

AZN

AZ 11- + +

Nuclei con troppi neutroni

eYX N

AZN

AZ 11+ + +

Nuclei con pochi neutroni

hXX NAZN

AZ +

Spesso dopo decadimento o

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pag.12

La fissione nucleare

I nuclei pesanti (Z>92), se bombardati ad es. con neutroni, tendono a decadere spezzandosi in due nuclei di massa circa metà di quella di partenza, emettendo inoltre altri neutroni, che possono provocare una reazione a catena.

Nella fissione vieneemessa energia:circa 200 MeV(contro i 20 eVdelle reazioni chimiche)

n2SrXe

n3KrBaUUn9438

14054

8936

14456

*23692

23592

1g di fissione 30000 kWh di energia= consumo familiare

di 5 anni!!!

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pag.13

La fusione nucleare

I nuclei leggeri (Z<15), in condizioni particolari (es. altissime temperature) in cui riescono ad avvicinarsi l’un l’altro a piccolissime distanze, possono fondersi a due a

due in nuclei più pesanti.Nella fusione vieneemessa energia:alcuni MeV(contro i 20 eVdelle reazioni chimiche)

Nel Sole, a ogni secondo, 564500 kg di idrogeno

si convertono in 560000 kg di elio;i restanti 4500 kg diventano energia

che viene irraggiata nello spazio.

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pag.14

Verso l’energia nucleare: le tappe

Dai fenomeni naturali...1895: Roentgen raggi X1896: Becquerel radioattività naturale1898: Curie elementi radioattivi1899: Rutherford radiazioni

1905: Einstein E=mc2

...ai fenomeni artificiali1919: Rutherford reazioni nucleari1932: Chadwick neutrone1934: Curie produzione di radioisotopi1934: Fermi neutroni lenti su uranio1938: Hahn-Strassmann fissione1942: Fermi reattore nucleare

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pag.15

Bombardando nuclei di uranio con neutroni si ottengono moltissime sostanze radioattive.Se i neutroni passano attraverso sostanze particolari (moderatori: es. acqua o paraffina) che diminuiscono la loro velocità, l’effetto radioattivo aumenta molto.Inoltre vengono emessi altri neutroni che possono essere utilizzati a loro volta per continuare il processo a catena.

Il neutrone è neutro, e quindi non è soggetto a repulsione elettrica.Ha quindi un’elevata capacità di penetrazione nel nucleo.

I neutroni lenti e l’uranio

1932: scoperta del neutrone

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pag.16

Reazioni a catena

La fissione nucleare può avvenire con reazioni a catena.

Se controllata, è una enorme sorgente di energia!

Se incontrollata, ha effetti devastanti!

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pag.17

Il reattore nucleare

• Cubo di grafite (moderatore dei neutroni)• barre di uranio • barre di controllo di boro e cadmio (assorbitori dei neutroni in eccesso)

Sollevando o abbassando le barre di controllo, è possibile innescare o bloccare la reazione a catena.

Pila di Fermi,Chicago 1942

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pag.18

Centrali nucleari

Reattore protetto da una campana di rivestimento + sistema di raffreddamento in cui circola acqua.

L’acqua trasformata in vapore mette in azione una turbina collegata con un alternatore che produce energia elettrica.

Il vapore uscito dalla turbina passa in un condensatore dove viene raffreddato e trasformato in acqua. Quest'acqua viene di solito inviata al reattore per essere riutilizzata.

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pag.19

Verso la bomba

Il processo di fissione realizzato da Fermi in Italia nel 1934 viene capito solo nel 1939 da Hahn e Strassmann in Germania.Negli Stati Uniti, dove Fermi e molti altri sono emigrati dopole leggi razziali del 1938, si teme che la Germania produca labomba atomica.

I fisici europei emigrati negli Stati Uniti, con l’appoggio determinante di Einstein, convincono il presidente

Roosevelt della necessità di iniziare le ricerche per costruire la bomba prima della Germania.

"Se avessi saputo che i tedeschi non sarebbero riusciti a costruire la bomba atomica, non avrei mai alzato un dito.“ Albert Einstein

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pag.20

Los Alamos

Dicembre 1941: gli USA entrano in guerraEstate 1942: Roosevelt crea il Progetto Manhattan per le ricerchesulla bomba atomicaDicembre 1942: Fermi realizza il reattore nucleare (pila di Fermi)Marzo 1943: inizia in gran segretola costruzione della cittadella diLos Alamos (direttore Oppenheimer)Novembre 1944: si capisce che laGermania non riuscirà ad arrivare alla bomba. Inizia il dubbio degliscienziati: non ci sono più motiviper la bomba.Primavera 1945: alcuni scienziati scrivono a Roosevelt: fermiamoci!Aprile 1945: muore Roosevelt.

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pag.21

Via alla bomba!

Aprile 1945: Truman nuovo Presidente USA. Finisce la guerra in Europa. Il Giappone non si arrende.Giugno 1945: un gruppo di fisici (Oppenheimer, Fermi e altri) chiede di lanciare subito la bomba sul Giappone; un altro gruppo di fisici (Slizard e altri) chiede di usare la bomba solo nel deserto,a scopo dimostrativo. Truman decide per il lancio sul Giappone.Luglio 1945: pronti 2 tipi di bombe,a uranio 235 e plutonio 239. Lanciodimostrativo nel Nuovo Nessico:potenza: 20000 tonnellate di tritolo.Ultimatum al Giappone: respinto.

6 agosto 1945: Hiroshima9 agosto 1945: Nagasaki

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pag.22

La bomba atomica

Principio contrario a quello del reattore: fissione totalmente incontrollata.

Tempi accelerati: uso di neutroni veloci eliminato il moderatore

Si ha fissione quando l’uranio supera una certa massa critica per “programmare” l’esplosione, il combustibile viene suddiviso inpiù parti, e la reazione viene innescata mediante un normaleesplosivo, posto sulla testata, che fa “scontrare” le diverse parti di uranio.

In base ai danni che si vogliono procurare, l’esplosione vienefatta avvenire a una certa quota, determinata da un altimetro.

la bomba di Hiroshima

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pag.23

Hiroshima e Nagasaki

Hiroshimauranio 235

98% distruzione70000 morti

Nagasakiplutonio 239

47% distruzione75000 morti

La scienza in crisiPrima bomba: necessaria? sgomento...

Seconda bomba: inutile! rabbia!...

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pag.24

Lo sminamento umanitario

L’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO.

Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini).

Sminamento troppo costoso:ispezione del terreno con sensori

di anomalia allarme estrazionee neutralizzazione esplosivo

tempo: > 30 minuticosto: 300-1000 $falsi allarmi: 99 %

Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale) I terreni minati sono ricchissimi di azoto

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pag.25

Il nucleare contro le mine antiuomo

INFN Pavia, Padova, Bari.Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto.

Reazione di cattura neutronica: 14N + n 15N + (E=10.8 MeV)

Metodo proposto:• tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot• neutroni da fissione spontanea di 252Cf• rivelazione dell’energia mediante scintillatori• analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni• intervento umano solo dopo la conferma

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pag.26

L’energia nucleare è “buona” o “cattiva”?

Come ogni cosa, ha vantaggi e svantaggi.

Fissione: + facile innesco e controllo- costo e produzione

combustibile forte inquinamento radioattivopericolo di catastrofe

Fusione: + disponibilità illimitata combustibile

nessun inquinamento- difficile innesco (altissime

temperature) fusione fredda?...

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pag.27

Energia nucleare

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pag.28

Il disastro di Chernobyl

Chernobyl, Ucraina, 26 aprile 1986

Per un test:interruzione del vapore +disattivazione sistemi di sicurezza

reazione a catena incontrollata energia 100 volte superiore

aumento di temperatura fusione del reattore

aumento di pressione esplosione del “tetto”

incendio della grafite per 10 giorni

Nube radioattiva in tutta Europa:131I T1/2 8 giorni137Cs T1/2 30 anni

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pag.29

Chernobyl prima e dopo

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pag.30

Il nucleare in Italia

Dopo il disastro di Chernobyl, in Italia si diffonde tra l’opinione pubblica un sentimento di ostilità e di rifiuto nei confronti dell’energia nucleare: i risultati di tre referendum popolari (1987), pur riferendosi ad aspetti puramente tecnici del nucleare, sono interpretati dalla grande maggioranza delle forze politiche e dai cittadini come un netto rifiuto della politica energetica nucleare.

In Italia non esistono più centrali nucleari: le 4 esistenti, aCaorso (PC), Trino (VC), Latina, Garigliano (FR), sono statesmantellate, e nessun’altra verrà più costruita.Ma l’Italia deve importare una enorme quantità di energia dai Paesi vicini (es. Francia). E se avvenisse un incidente ai nostri confini...

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pag.31

Il nucleare ai nostri confini

Mappa delle fonti di un possibile inquinamento nucleare per l’Italia.

Il nostro Paese è circondato da una serie di centrali nucleari stanziate a pochi centinaia di km dai confini.

Sono evidenziati in rosso i centri di rilevamento di radiazioni che dovrebbero dare tempestivamente l’allarme in caso di incidente nucleare.

Dal 1987 l'Italia ha chiuso col nucleare, ma 13 centrali straniere sono a un passo da noi. L'Anpa (Agenzia nazionale per la

protezione ambientale) le considera come se fossero praticamente nel territorio italiano,

per le conseguenze di un incidente sulla popolazione e sull’ambiente.

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pag.32

Il nucleare in Europa

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