Fisica del nucleo le reazioni di fissione
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Fisica del nucleo Le reazioni di fissione. A cura di Motti Stefano IV H Liceo Scientifico Aselli a.s. 2010/2011. L’atomo.

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Fisica del nucleo Le reazioni di fissione

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Presentation Transcript


Fisica del nucleo le reazioni di fissione

Fisica del nucleoLe reazioni di fissione

A cura di Motti Stefano

IV H Liceo Scientifico Aselli

a.s. 2010/2011


L atomo

L’atomo

L’atomo occupa una regione spaziale assimilabile ad una sfera di raggio 10-14 m il cui centro è occupato da un nucleo, formato dai protoni, carichi positivamente, e dai neutroni, attorno cui ruotano delle particelle cariche negativamente dette elettroni.

Il numero degli elettroni e dei protoni è uguale in un atomo, che risulta così neutro, e, se così non fosse, sarebbe uno ione.

Il numero totale degli elettroni, e quindi dei protoni, atomico è detto numero atomico Z.

Il numero del totale dei nucleoni (neutroni e protoni) è detto numero di massa A.

-

+

+

+

-

+

+

-

+

-


Gli isotopi

Gli isotopi

  • Esempio:

  • L’atomo di idrogeno H ha tre isotopi:

  • 1H è l’idrogeno ordinario con N=0 e Z=1 e A=1

  • 2H è il deuterio con N=1 e Z=1 e A=2

  • 3H è il trizio con N=2 e Z=1 e A=3

Gli elementi più leggeri della tavola periodica presentano numero Z identico ad N (numero dei neutroni) ma non è così per gli atomi di elementi pesanti.

Nel caso in cui nell’atomo di uno stesso elemento N sia diverso da Z e esistano più atomi di quell’elemento con diverso numero A, si è in presenza di un isotopo.

Si indica con l’apice preposto al simbolo dell’elemento il numero A di un isotopo (es.:12C)


Idrogeno trizio e deuterio

Idrogeno, trizio e deuterio

Idrogeno

Deuterio

-

-

+

+

Trizio

-

+

N.B.:i vari isotopi di un elemento differiscono solo per massa

ma conservano inalterate le loro proprietà


Esempi di composti con isotopi

Esempi di composti con isotopi

H2 + O  H2O Acqua

+

+

O

O

+

+

+

D2 + O  D2O Acqua pesante

+

+

O

O

+

+

+


L interazione nucleare forte

L’interazione nucleare forte

I protoni hanno carica concorde eppure non si respingono, come sarebbe

normale a causa della repulsione elettrostatica. Esiste infatti nel nucleo una

forza, di intensità maggiore di quella elettrica, che tiene uniti i protoni ed è

detta forza nucleare o adronica (adròs, dal greco, significa forte).

Essa ha la particolarità però di avere un raggio d’azione che non supera i

10-15m, distanza oltre cui prevale quella elettrostatica.

Riportando su un grafico cartesiano l’andamento della forza elettrica (blu) e

adronica (rosso) si ha:

intensità

Forze

repulsive

0

1

2

3

4

5

Forze

attrattive

Raggio (x10-15)


I livelli energetici nucleari

I livelli energetici nucleari

Così come gli elettroni occupano orbitali con diversa energia, anche i nucleoni

si dispongono su diversi livelli energetici all’interno di un nucleo atomico.

Ogni livello energetico nucleare può essere occupato da due soli protoni e due

neutroni, dei quali ciascuno avrà uno spin ½ e l’altro spin -½.

Esempio:

Neutroni

Protoni

E

n

e

r

g

i

a

4

Livelli energetici

Disposizione dei nucleoni

di un atomo con Z=6 e

N=6 nei loro livelli energetici

3

2

1

Spin ½ -½ ½ -½


I livelli energetici nucleari1

I livelli energetici nucleari

Dato un nucleo le cui particelle sono posizionate su n livelli energetici,

conoscendo l’energia E1 del primo livello si può calcolare l’energia di tutti i

rimanenti livelli energetici tramite la formula:

En = n2 x E1

16E

4

E

n

e

r

g

i

a

9E

3

4E

2

E

1


I raggi gamma

I raggi gamma

Quando un nucleo atomico viene stimolato da forze esterne, passa dal suo

stato fondamentale ad uno più eccitato e tende poi, dopo pochissimo tempo,

a tornare allo stato iniziale. Durante il passaggio dal livello energetico maggiore

a quello minore (decadimento), viene emessa energia sotto forma di un fotone

altamente energetico. Le radiazioni energetiche emesse, note come raggi

gamma, sono altamente penetranti e possono essere schermati solamente

grazie a spesse lastre di piombo.

3

Energia

2

γ

1


Il difetto di massa

m1

M

E

m2

Separazione di un nucleo

Il difetto di massa

Se si misura la massa dei singoli nucleoni m di un atomo e la massa M di esso

stesso, si nota che M<Σm. Ciò significa che durante l’unione dei nucleoni in un

unico nucleo atomico parte della loro massa è come se fosse scomparsa. In

realtà essa si è trasformata in energia, detta di legame, che è in grado di

mantenere uniti i nucleoni. Per separare quindi le particelle di un nucleo sarà

necessario fornire la stessa quantità di energia.

m1

M

E

m2

Formazione di un nucleo


Il difetto di massa1

Il difetto di massa

La massa che si trasforma in energia durante la formazione di un nucleo è data

dalla differenza di M e la sommatoria delle masse m dei singoli nucleoni e

prende il nome di difetto di massa.

L’energia di legame è data dalla relazione:

dove con c si indica il valore della velocità della luce nel vuoto.


E mc 2

E = mc2

Il fisico russo Lebedev notò che un fascio di luce esercita su una superficie

riflettente una certa pressione, il cui valore trovò essere uguale a:

Secondo la meccanica classica la pressione esercitata da un getto di particelle

su una parete è uguale alla variazione della loro quantità di moto che è di 2mv

perché giungono con una quantità di mv e si riflettono con una quantità di –mv

e mv-(-mv)=2mv. Calcolando la pressione della luce con questa formula si ha:


E mc 21

E = mc2

Uguagliando i due precedenti risultati si ottiene così:

Espressione che semplificata risulta uguale a:


La scoperta della radioattivit

La scoperta della radioattività

Si deve a Marie Curie Sklodowska, che con il marito e A. H. Bequerel ricevette

Nel 1903 il Nobel per la fisica, la scoperta della radioattività spontanea di

alcuni elementi. Il tutto fu possibile grazie agli studi compiuti sul radio e sul

plutonio condotti dalla scienziata che, tramite delle lastre fotografiche composte

di materiali radioattivi, notò che esistono in natura alcuni elementi che emettono

spontaneamente delle particelle.

I coniugi Curie

A. H. Bequerel


La legge del decadimento

La legge del decadimento

La radioattività spontanea di alcune sostanze è data dal fatto che i loro nuclei

non sono stabili, ma decadono, trasformandosi in nuclei più leggeri attraverso

l’emissione si particelle o di radiazioni.

Rutherford, nel 1900, trovò una legge secondo il numero N di particelle emesse

da queste sostanze diminuisce nel tempo, in maniera proporzionale ad N

stesso.

La radioattività spontanea di alcune sostanze è data dal fatto che i loro nuclei

non sono stabili, ma decadono, trasformandosi in nuclei più leggeri attraverso

l’emissione si particelle o di radiazioni.

Rutherford, nel 1900, trovò una legge secondo il numero N di particelle emesse

da queste sostanze diminuisce nel tempo, in maniera proporzionale ad N

stesso.

La radioattività spontanea di alcune sostanze è data dal fatto che i loro nuclei

non sono stabili, ma decadono, trasformandosi in nuclei più leggeri attraverso

l’emissione si particelle o di radiazioni.

Rutherford, nel 1900, trovò una legge secondo il numero N di particelle emesse

da queste sostanze diminuisce nel tempo, in maniera proporzionale ad N

stesso.

La radioattività spontanea di alcune sostanze è data dal fatto che i loro nuclei

non sono stabili, ma decadono, trasformandosi in nuclei più leggeri attraverso

l’emissione si particelle o di radiazioni.

Rutherford, nel 1900, trovò una legge secondo il numero N di particelle emesse

da queste sostanze diminuisce nel tempo, in maniera proporzionale ad N

stesso.

dove k indica la costante

dove k indica la costante

dove k indica la costante

che è il reciproco del tempo caratteristico o

vita media.

La vita media di un elemento radioattivo indica l’intervallo di tempo in cui N si

riduce di 1/e volte (circa 1/3).

vita media.

La vita media di un elemento radioattivo indica l’intervallo di tempo in cui N si

riduce di 1/e volte (circa 1/3).

Viene definita attività di un elemento radioattivo il numero di decadimenti che

avvengono nell’unità tempo, grandezza misurata nel S.I. in bequerel (Bq),

che corrisponde ad un decadimento al secondo.


Tipi di decadimento

Tipi di decadimento

Nel 1899 Rutherford mise in luce tre tipi diversi di decadimenti radioattivi, al

tempo inspiegabili, la cui diversità era evidenziata dal diverso cambiamento di

traiettoria subito dalle loro radiazioni in un campo magnetico perpendicolare

alla loro velocità. Vennero così detti decadimenti α, β e γ a seconda della loro

capacità di penetrazione di un materiale.

α

elettromagnete

β

γ

Sorgente di radiazioni


Il decadimento

Il decadimento α

Si tratta di un tipo di decadimento, che avviene per gli elementi con Z>83

in cui l’elemento radioattivo originario si trasforma in un nucleo discendente

detto figlio, attraverso l’emissione di una particella α (4He elione).

Tra le masse in relazione troviamo m0 (elemento originario), m1 (figlio) e mα, e

Tra esse sussiste la relazione: m0 > m1+ mα

Questo significa che durante il decadimento parte della massa è stata

trasformata in energia, secondo il difetto di massa.

Molto spesso i nuclei figli risultano essere molto instabili e divengono a loro

elementi originari di nuovi decadimenti.

Elio

Elione


Il decadimento1

Il decadimento β

  • Esistono due tipi di decadimenti β:

  • decadimento β- , in cui un neutrone decade trasformandosi in un protone ed

  • emettendo un elettrone: n  p + e-

  • decadimento β+, in cui un protone decade trasformandosi in un neutrone ed

  • emettendo un positrone (elettrone positivo): p  n + e+

  • Si può notare come in entrambi i casi la carica si conservi. Nel primo infatti si

  • parte da un neutrone a carica nulla per ottenere un protone e un elettrone che

  • neutralizzano la loro carica rispettivamente e, nel secondo caso, partendo da

  • una carica positiva si ottengono un neutrone e un positrone, che hanno ancora

  • complessivamente carica positiva. Il decadimento risponde quindi alla

  • conservazione delle cariche.


Il decadimento2

Il decadimento β-

du

-

u

d

u

u

d

d

N

P

+

e-


Il decadimento3

Il decadimento β+

ud

+

u

u

u

d

d

d

P

N

+

e+

e+


Le reazioni nucleari

Le reazioni nucleari

Viene definita reazione nucleare quel processo, spontaneo o indotto, che

trasforma un nucleo in un altro.

I decadimenti β o α sono esempi di reazioni spontanee, in quanto avvengono

senza che sia necessario intervenire artificialmente.

Nel caso in cui si voglia indurre una reazione è necessario che i nuclei, detti

bersagli, siano bombardati con alcune particelle, dette proiettili.

+

+

4He

9Be

12C

n

Reazione nucleare indotta del bersaglio 9Be bombardato con una particella alfa 4He, che

Da origine a un neutrone e a all’isotopo 12C dell’atomo di carbonio.


La reazione di fissione nucleare

La reazione di fissione nucleare

La fissione è la reazione tramite cui un nucleo pesante di un elemento fissile,

venendo bombardato con neutroni, si scinde in più nuclei.

In questo processo il neutrone viene catturato dal nucleo colpito che si rompe

in due nuclei molto instabili, liberando alcuni neutroni e producendo energia,

derivata da quella di legame presente nell’atomo originario. Questa energia

deriva dunque dal difetto di massa ed è esprimibile tramite la relazione di

Einstein E=mc2.

I materiali fissili, utilizzabili quindi in queste reazioni, sono l’uranio-235 (235U) e

il plutonio-239 (239Pu).

L’uranio può produrre, a seguito di una fissione, vari elementi e particelle:

235U + n = 146 La + 3n

235U + n = 90Rb + 144Cs + 2n

235U + n = 87Br + 146Ce + 3n + β-


Il meccanismo della fissione

Il meccanismo della fissione

Nel momento in cui il nucleo dell’atomo fissile è colpito da un protone esso

lo assorbe,raggiungendo uno stato eccitato. I nucleoni iniziano così ad

oscillare allontanandosi dalla loro solita posizione fino a raggiungere una

distanza tale che la repulsione elettrostatica vinca la forza adronica e i neutroni

possano così separarsi provocando la divisione del nucleo.

neutrone

neutrone

Energia

oscillazione

Strozzatura

fissione

Le fasi della fissione


Le reazioni a catena

Le reazioni a catena

Nelle reazioni di fissione vengono liberati solitamente due o tre neutroni per ogni

atomo scisso. Questi nucleoni possono, una volta liberi, scontrarsi con altri

eventuali atomi presenti nelle loro vicinanze, dando così origine ad un processo

di decadimenti a catena in progressione geometrica. Da notarsi è il fatto che in

questa catena uno dei prodotti della reazione, il neutrone, è anche il proiettile

con cui si bombarda il bersaglio.

Enrico Fermi scoprì che si potevano utilizzare dei moderatori, costituiti da barre

di grafite, per poter controllare le reazioni a catena e, sulla base di ciò, realizzò

la prima pila atomica, base dei moderni reattori.

Esistono al giorno d’oggi molti tipi di reattori anche se il principio che sta alla

del loro funzionamento è il medesimo e sfrutta l’utilizzo di materiale fissile per

vaporizzare acqua e mettere in funzione le turbine.


Il materiale fissile

Il materiale fissile


Esempio di catena di 235 u

Esempio di catena di 235U

U235

U235

Rb

U235

Cs

Rb

Cs

U235

U235

U235

Rb

Cs

Rb

U235

U235

Cs

U235


Funzionamento dei moderatori

Funzionamento dei moderatori

U235

U235

U235

Rb

Cs

U235

U235

Rb

Rb

Cs

Cs

U235

U235

Barra di grafite


I reattori nucleari

I reattori nucleari

E’ definito reattore nucleare a fissione un sistema in grado di gestire e

controllare una reazione nucleare di fissione. Essi fanno uso di barre di

materiale fissile che permettono le reazioni a catena, moderate da altre barre

composte da materiali in grado di assorbire protoni per rallentare la fissione.

Durante la reazione l’energia è liberata sotto forma di calore che viene utilizzato

per scaldare acqua passante in speciali tubi che la convogliano nello

scambiatore di calore. Qui si forma il vapore acqueo che può azionare alcune

turbine che, grazie a degli alternatori, possono produrre corrente elettrica.

Esistono al giorno d’oggi molti tipi di reattori anche se il principio che sta alla

del loro funzionamento è il medesimo e sfrutta l’utilizzo di materiale fissile per

vaporizzare acqua e mettere in funzione le turbine.

Essi vengono impiegati nelle centrali elettronucleari con l’ovvio fine di produrre

energia elettrica.


Noccioli di reattori

Noccioli di reattori


Il reattore bwr

Il reattore BWR

Il reattore BWR, ad acqua bollente, sfrutta praticamente alla lettera la scoperta

di Fermi.

Torre di raffreddamento

Reattore

Rete elettrica

Alternatore

Scambiatore

di calore

Turbina

Condensatore

Pompa

Nocciolo

Pompa

Fiume con acqua di raffreddamento


Centrali nucleari a fissione

Centrali nucleari a fissione


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