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  • 1 Fisica Nucleare Testi utilizzati in varie parti del corso: Introductory nuclear physics Krane Physics of atomic nucleus K.N. Mukhin Nuclei e particelle Segr Introduzione alla fisica nucleare W. Alberico Teoria elementare del nucleo H.A. Bethe, P.Morrison Testi di meccanica quantistica utili: Modern quantum mechanics J.J. Sakurai Quantum physics Gasiorowicz Quantum field theory Mandl, Shaw Tutte le trasparenze sono in rete nel sito: http://gruppo3.ca.infn.it/usai
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  • 2 Riveste un ruolo importante nella nostra vita Fissione nucleare : generazione di energia centrali/armi Fusione nucleare : Sostiene (quasi) tutta la vita Creazione di tutti gli elementi pesanti Nucleo-sintesi Possibile sorgente futura di energia non inquinante Decadimento radioattivo: usato per la datazione,. allarmi antifumo ! Applicazioni mediche: test diagnostici basati su imaging trattamenti terapeutici del cancro Perch studiare la fisica nucleare ?
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  • 3 Fisica Nucleare - Cronologia Probabilmente nessun argomento crea cos tanta aspettativa, paura e confusione 1895 Scoperta dei raggi X - Rntgen 1896 Scoperta della radioattivit delluranio - Becquerel 1897 Studi sulla radioattivita Marie & Pierre Curie 1905 Einstein teoria speciale della relativit 1911 Scoperta del nucleo atomico - Rutherford 1919 / 1920 Rutherford postula protoni e neutroni nel nucleo 1926 La meccanica quantistica decolla equazione di Schrdinger 1929 Primi acceleratori di particelle, ciclotrone di Lawrence 1931 Teoria di Pauli del neutrino nel decadimento beta 1932 Osservazione del neutrone Chadwick 1934 Osservazione della fissione - Fermi / Hahn 1941 Avvio del Progetto Manhattan 1942 Primo reattore Fermi 1945 La bomba atomica - Oppenheimer 1948 Nucleo-sintesi Bethe, Gamow 1952 Bomba allidrogeno 1956 Violazione della parit nel decadimento beta Sviluppo di applicazioni tecnologiche ad es. imaging medico 2006
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  • 4 Costituenti fondamentali Elettrone m e =0.511 MeV/c 2 carica = - e (1.6x10 -19 C) dimensione 10 -18 m Nucleo Z protoni, N neutroni protoni e neutroni sono 2 stati carichi del nucleone Un nuclide un nucleo specificato da Z, N A (numero di massa) = Z (numero atomico) + N m p m n = 939.57 MeV/c 2 ; carica: p = +e, n = 0 dimensioni p, n 1 fm; raggio del nucleo (A medio) 5 fm Atomo Lo stato normale neutro, Z elettroni dimensioni 10 -10 m La massa m p, m n 1836 m e dellatomo quasi tutta nel nucleo Le propriet chimiche dipendono da Z
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  • 6 La tavola periodica degli elementi Solo tre elementi si sono formati nel Big Bang. Tutti gli altri elementi vengono formati nelle stelle Elementi naturali: da H(Z=1) a U(Z=92)
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  • 8 Masse e abbondanze nucleari La misura della massa nucleare viene eseguita per mezzo di uno spettrometro di massa Fascio di ioni Lastra fotografica Selettore di velocit E B B misura della massa q, B, v sono noti. Misurando r si ha Selettore di velocit Selettore di momento
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  • 9 Abbondanze nucleari Spettro di massa degli isotopi del xenon trovati in un campione di gneiss avente 2.7 miliardi di anni estratto dalla penisola di Kola Spettro degli isotopi dello xenon presenti in atmosfera Lo Xe nello gneiss stato prodotto dalla fissione spontanea delluranio (K.Schafer, MPI Heidelberg) Possiamo fare una scansione in massa variando E o B e misurando la corrente possiamo determinare le abbondanze relative di diversi isotopi Numero di massa Conteggi
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  • 10 Abbondanze nucleari nel sistema solare Abbondanze relative nel sistema solare (normalizzate a Si). Generalmente le stesse in tutto il sistema solare Deuterio ed elio: fusione nei primi minuti dopo il big bang Nuclei fino 56 Fe: stelle Nuclei pi pesanti: supernovae Abbondanze nel Sole 10 4 H 10 3 He 8 O 4 C 1 N 1 Ne
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  • 11 Masse nucleari: unit di misura La massa di riferimento non il protone o latomo di idrogeno, bens lisotopo 12 C. Il carbonio e molti dei suoi composti sono sempre presenti in uno spettrometro e sono particolarmente adatti per la calibrazione. Una unit di massa atomica u definita come 1/12 della massa del nuclide 12 C Esempio: Misura della massa dellidrogeno Daltra parte Quindi la massa dellidrogeno data da massa di un protone = 938.272 MeV/c 2
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  • 12 Energia di legame nucleare Lenergia di legame B di un nucleo la differenza di energia di massa fra i suoi Z protoni e N neutroni liberi e un nucleo A Z X N Lenergia di legame determinata dalle masse atomiche, poich esse possono essere misurate molto pi precisamente delle masse nucleari. Raggruppando le masse dei Z protoni ed elettroni in Z atomi di idrogeno neutri, possiamo anche riscrivere Lenergia di massa di un nucleo Massa atomicaMassa degli Z elettroni Energie di legame degli Z elettroni (trascurabile)
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  • 13 Le energie di separazione di protoni e neutroni sono lequivalente delle energie di ionizzazione in fisica atomica. Lenergia di separazione dei neutroni S n la quantit di energia necessaria per rimuovere un neutrone da un nucleo A Z X N, uguale alla differenza fra le energie di legame di A Z X N e A-1 Z X N-1 Energie di separazione Lenergia di separazione di un protone definita, in modo simile, come lenergia necessaria per rimuovere un protone
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  • 14 Linea rossa misure sperimentali linea nera formula semi-empirica energia di legame per particella nucleare (nucleone) in MeV Numero di Massa A La massa media dei frammenti di fissione circa 118 Elementi pi pesanti del ferro possono fornire energia tramite fissione Fe Gli isotopi del gruppo del ferro sono i pi legati hanno energia di legame 8.8 MeV/nucleone energia dalla fissione nucleare energia dalla fusione nucleare 235 U Energia di legame per nucleone B/A costante 8 MeV per nucleone, A 20 Largo massimo per A 60 (Fe, Co, Ni) A 60 fusione A 60 fissione I nuclei leggeri con A=4n, n=intero presentano picchi (stabilit ) B/A costante in un nucleo i nucleoni sono attratti solo dai nucleoni vicini. La forza nucleare a corto range e saturata
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  • 15 Consideriamo la reazione Conservazione dellenergia e del momento Lenergia di una particella di massa m data in generale da In un processo come questo lenergia sempre conservata. Lenergia dello stato finale deve essere uguale a quella dello stato iniziale Possiamo anche scriverla nella forma Energia a riposo associata alla massa Energia cinetica
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  • 16 Immaginiamo che nello stato iniziale il litio e lidrogeno abbiano velocit trascurabili. Allora In questo modo troviamo lenergia prodotta Per lo stato finale possiamo scrivere 8 unit di massa + 24.55 MeV 8 unit di massa + 2x3.61 MeV (8 unit di massa + 24.55 MeV) (8 unit di massa + 2x3.61 MeV) = 17.33 MeV
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  • 17 Vale anche la conservazione del momento Nellipotesi di velocit trascurabili nello stato iniziale Quindi anche nello stato finale Le due particelle si allontanano in direzioni opposte ciascuna con energia cinetica
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  • 18 Nuclidi Un nuclide un particolare nucleo ed designato con la seguente notazione: Z = Numero Atomico (Numero di Protoni) A = Massa Atomica (Numero di Nucleoni) A = Z+N (Nucleoni = Protoni + Neutroni) N = Numero di Neutroni (talvolta omesso) Nuclidi con lo stesso Z ma diverso N sono detti ISOTOPI Nuclidi con lo stesso A sono noti come ISOBARI Nuclidi con lo stesso N sono noti come ISOTONI Stati eccitati aventi vita media lunga (meta-stabili) sono noti come ISOMERI Esistono migliaia nuclidi!
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  • 19 Carta dei nuclidi I nuclidi possono essere sistemati su una carta, una specie di tavola periodica della fisica nucleare Tipicamente la carta grafica Z vs N I diversi decadimenti radioattivi possono essere facilmente collegati con un movimento nella carta ad es. il decadimento corrisponde a 2 passi a sinistra, 2 in basso Questo permette di visualizzare intere catene di decadimento in modo efficace Permette di visualizzare anche altre propriet come la vita media o la data di scoperta
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  • 20 Carta dei nuclidi cronologia Evoluzione della Tavola degli Isotopi Anno di pubblicazione
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  • 21 I nuclei stabili si trovano solo in una banda molto stretta nel piano Z-N. Tutti gli altri nuclei sono instabili e decadono spontaneamente in vari modi Stabilit nucleare Isobari con un grande surplus di neutroni guadagnano energia convertendo un neutrone in un protone (pi un elettrone) mentre nel caso di un surplus di protoni si pu verificare la reazione inversa: la conversione di un protone in un neutrone (e un positrone). Per conservare il numero leptonico vengono prodotti anche neutrini Si possono avere inoltre decadimenti e fissione spontanea Fissione spontanea Linea della stabilit Nuclei noti Numero di neutroni N Numero di protoni Z
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  • 22 Carta dei nuclidi vita media Experimental Chart of Nuclides 2000 2975 isotopi Vita media
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  • 23 Nucleo stabile: la sua massa deve essere minore della somma delle masse dei nuclei prodotti nel decadimento. Es. Questo decadimento non pu aver luogo Infatti Invece energeticamente possibile poich
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  • 24 Regolarit Regolarit della tavola dei nuclidi stabili: Numero di nuclei con Z pari >> numero di nuclei con Z dispari Numero di nuclei con A pari >> numero di

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