Fisica nucleare

Materie:Tema
Categoria:Fisica

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Testo

Fisica nucleare
Alla comprensione della struttura dell'atomo contribuì nel 1896 la scoperta della radioattività dei minerali di uranio; da parte del fisico Antoine-Henri Becquerel. In pochi anni si scoprì che la radiazione emessa dalle sostanze radioattive poteva essere di tre tipi: radiazione alfa, costituita da atomi di elio ionizzati; radiazione beta, composta da elettroni veloci; raggi gamma, in seguito identificati come radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda molto corta. Nel 1898 i fisici francesi Marie e Pierre Curie separarono da un minerale di uranio il radio e polonio, due nuovi elementi, ben presto identificati come radioattivi. Intorno al 1903 Rutherford e Frederick Soddy mostrarono che l'emissione di raggi alfa o beta comportava la trasformazione dell'atomo istabile in una specie atomica diversa. Si trovò in seguito che gli eventi radioattivi avvengono in modo statistico; non esiste quindi alcun modo di sapere quale atomo all'interno di un materiale radioattivo debba decadere in un certo istante. Nel 1919 Rutherford bombardò con particelle alfa un bersaglio di azoto; l'elemento si dissociò in idrogeno e ossigeno, dando luogo alla prima trasmutazione artificiale.

Nello stesso periodo, grazie allo sviluppo dello spettrometro di massa, furono condotte importanti ricerche sulla natura degli isotopi e da questi studi emerse un modello che concentrava nel nucleo tutta la carica positiva e quasi tutta la massa dell'atomo. Le particelle del nucleo dotate di carica positiva vennero identificate come protoni, ma si dovette ammettere l'esistenza di altre particelle neutre (in tutti i nuclei a eccezione dell'idrogeno) per trovare un accordo con i dati ottenuti nelle misurazioni delle masse. Nel 1932 il fisico britannico James Chadwick scoprì il neutrone, una particella elettricamente neutra, con massa pari a 1,675 × 10-27 kg, poco maggiore di quella del protone. La nuova particella fu presto riconosciuta come un costituente fondamentale del nucleo atomico.

La forza di repulsione elettrostatica tra cariche elettriche positive tende ad allontanare i protoni di un nucleo, pertanto perché l'atomo sia stabile è necessaria l'azione di una forza attrattiva molto intensa che tenga strettamente legati tutti i nucleoni (l'insieme di protoni e neutroni). L'energia associata a questo tipo di legame, chiamato interazione nucleare forte, è estremamente grande, milioni di volte superiore a quella tipica dei legami chimici. Si comprende allora come l'emissione di una particella costituita da due protoni e due neutroni da parte di un nucleo radioattivo (decadimento alfa) sia un processo che comporta il superamento di una certa barriera energetica. Il meccanismo del decadimento alfa venne spiegato in termini quantistici dai fisici statunitensi Edward Condon, George Gamow e Ronald Wilfred Gurney nel 1928. Essi mostrarono che la natura statistica dei processi nucleari permette alle particelle alfa di superare la barriera energetica del nucleo radioattivo. Il decadimento beta fu invece interpretato come risultato del decadimento di un neutrone all'interno del nucleo radioattivo: un neutrone del nucleo "padre" si scompone in un protone, un elettrone (la particella beta emessa) e un antineutrino elettronico. In genere dopo il decadimento alfa o beta, il nucleo rimane energeticamente instabile e l'energia in eccesso viene smaltita sotto forma di raggi gamma.

In tutti questi processi nucleari la somma delle masse dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti. La differenza, detta difetto di massa, viene convertita in una quantità di energia molto elevata, che può essere calcolata mediante l'equazione E = mc2

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