Era atomica - Tesina per liceo scientifico tecnologico

e quindi il decadimento avviene solo quando la massa del nucleo che decade (massa iniziale) è

maggiore della somma delle masse dei nuclei prodotti.

1.1.2.Decadimento beta

Il decadimento beta si divide in beta positivo e beta negativo, poiché la particella emessa può

carica negativa unitaria (β-, o carica positiva unitaria (β+,

avere decadimento beta negativo),

decadimento beta positivo). In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone e un protone viene

convertito in un neutrone o viceversa e dopo il decadimento compare un' ulteriore particella, definita

neutrino nel caso della beta positiva e antineutrino nel caso della beta negativa.

L' esistenza di questa particella fu ipotizzata per la prima volta da Pauli che tentò di inserire l' analisi del

decadimento di Beta nello studio delle leggi della conservazione dell' energia e della quantità di moto.

Se infatti il neutrino non facesse parte dei prodotti del decadimento gli elettroni verrebbero espulsi,

mentre si verifica sperimentalmente che gli elettroni emessi possiedono una distribuzione di energie

che va da 0 ad un valore massimo.

-

Decadimento β

- : Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si

trasforma in protone secondo la formula: + -

+ β

n° = p + antineutrino

Il decadimento beta negativo provoca una transizione isobarica: il numero Z aumenta di una unità e

l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a destra nella tavola periodica mentre

resta invariato il numero A. L'energia liberata dalla trasformazione del neutrone in protone diviene

-

cinetica dell'elettrone (β

energia ) e dell'antineutrino (particella priva di massa) che vengono espulsi dal

nucleo e rimane in parte nel nucleo provocandone l'eccitazione e la conseguente diseccitazione con

emissione di un fotone gamma. -

β

L'energia della particella e dell'antineutrino è

imprevedibile e si distribuisce in uno spettro continuo di

valori secondo una modalità probabilistica, mentre quella

del fotone gamma è caratteristica per ogni radionuclide e

β-

può assumere solo livelli discreti di energia. Le particelle

possono ionizzare il mezzo attraversato provocando

l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare

per repulsione elettrostatica, a spese della loro energia

cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in

aria). Essendo molto più piccole e elettricamente meno

cariche delle particelle alfa, hanno una più bassa densità di ionizzazione e potere penetrante circa

1000 volte inferiore di quello di una particella alfa di pari energia.

+

Decadimento β

- : Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni, un protone in eccesso emette

+

β

una particella , chiamata positrone, e si trasforma in neutrone secondo la formula:

+

β

p+= n° + + neutrino

+

β

Il decadimento è più probabile rispetto alla cattura elettronica per gli elementi con basso numero

atomico e inoltre provoca una transizione isobarica: il numero Z si riduce di una unità e l'atomo si

trasforma in un elemento chimico differente, situato a sinistra nella tavola periodica mentre resta

invariato A. 6

-

β

Come le particelle , ma in maniera contraria, le particelle

+

β possono ionizzare il mezzo attraversato provocando

l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare

per attrazione elettrostatica, a spese della loro energia

cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in

-

β

aria). Il potere pentrante è uguale a quello delle particelle .

Un altro fenomeno che si verifica più spontaneamente del

decadimento beta positivo è la cattura elettronica

Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni un

elettrone degli orbitali più interni può venire catturato dal

nucleo dove un protone si trasformerà in neutrone secondo

la formula: p+ + e- = n° + neutrino +

β

La cattura elettronica è più probabile rispetto al decadimento per gli elementi con alto numero

+

β

atomico e provoca una transizione isobarica identica a quella causata dal decadimento : il numero Z

si riduce di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a sinistra nella

tavola periodica mentre resta invariato A.

Il riarrangiamento degli elettroni orbitali, che si spostano verso l'orbitale più interno rimasto privo di un

elettrone e quindi verso orbite a minore contenuto di energia, provoca la liberazione dell'energia in

eccesso sotto forma di radiazioni X "caratteristiche".

2.Reazioni nucleari di molto l’uno

Quando due atomi, vincendo la forza di repulsione di Coulomb, riescono ad avvicinarsi

all’altro, si verificherà un riarrangiamento delle particelle dei loro nuclei: questo è ciò che avviene in una

reazione nucleare, che è simile al riarrangiamento degli atomi dei reagenti in una reazione chimica. Le

reazioni nucleari, di solito sono prodotte bombardando un nucleo specifico (M ) con un proiettile

i

nucleare (m ), che in molti casi è un singolo nucleone (protone o neutrone) o un nucleo leggero come il

i

deuterio o una particella α. I nuclei più pesanti non sono usati perché la repulsione elettrica tra i due

nuclei richiederebbe un proiettile con una enorme energia cinetica. Alcune volte sono usati come

proiettili addirittura i fotoni.

parte delle reazioni avviene con l’emissione

La maggior della medesima particella, ma può accadere

che un’altra particella proiettile (m ) venga espulsa e un nucleo residuo o finale (M ) viene lasciato

f f

rispettivamente in uno stato eccitato o nello stadio finale: nel primo caso, quello del nucleo residuo, la

nello stadio finale.

reazione proseguirà a catena fino all’esaurirsi

La reazione così descritta è designata dai simboli

M (m , m )M

i i f f

Dove i nuclei iniziali e finali sono all’esterno delle parentesi e la particelle proiettili in arrivo e in uscita

sono tra le parentesi. Questa formula dunque è sinonimo di trasformazione. Per esempio, quando

viene bombardato l’azoto, , con una particella alfa, il risultato potrà essere un protone e un nucleo

residuo di ossigeno . Questo processo può dunque essere scritto mediante la formula appena

descritta come

Più in generale, quando le energie delle particelle coinvolte non sono troppo alte, una reazione

nucleare si suppone che avvenga in due fasi:

1)una particella in arrivo o un proiettile vengono catturati, causando la formazione di un nucleo o

composto intermedio in uno stato eccitato che possiede un’alta energia. 7

2)il composto può diseccitarsi dopo l’emissione di una particella uguale a quella di inizio o tramite altri

mezzi.

Concludendo si può quindi affermare che le reazioni nucleari sono essenzialmente processi di collisioni

nelle quali energia, momento, numero di nucleoni e carica devono essere conservati. Le due reazioni

nucleari fondamentali sono la fusione e la fissione nucleare.

2.1.Fusione nucleare

La fusione è il processo di reazione nucleare attraverso il quale i nuclei di due o più atomi vengono

compressi tanto da far prevalere l'Interazione forte sulla repulsione elettromagnetica, unendosi tra loro

ed andando così a generare un nucleo di massa inferiore alla somma delle masse dei reagenti: questo

accade poiché, la quantità di materia mancante si è

trasformata in energia.

La fusione di elementi fino ai numeri atomici 26 e 28

(ferro e nichel) è esoenergetica, ossia emette più energia di

quanta ne richieda il processo di compressione. Oltre tali

valori è endoenergetica, cioè assorbe energia, a causa della

costituzione di nuclei atomici più pesanti.

Questa reazione avviene continuamente sul Sole e sulle altre

stelle, ad una temperatura di qualche milione di grado: la

luce e il calore che giungono a noi sono solo l’effetto visibile

del fenomeno. A tali temperature, i nuclei degli elementi in

gioco nella fusione, vengono strappati dai loro elettroni

circostanti (ciò avviene a causa della collisione) e la

sostanza che si forma è un misto di nuclei caricati

positivamente e elettroni negativi chiamato plasma.

Il Sole emette grandi quantità di energia trasformando una

parte della sua materia e diventando, perciò, sempre più

Schema della fusione nucleare tra “leggero” in un processo che dura ormai da milioni di anni.

deuterio e trizio. Come si può notare è Sulla Terra gli scienziati sono riusciti finora a realizzare la

una reazione esotermica. fusione nucleare soltanto in forma non controllata, in

micidiali ordigni distruttivi come la bomba ad idrogeno. Non sono, invece, ancora riusciti a far

sprigionare questa enorme energia in maniera lenta e controllata.

La causa principale sta nelle altissime temperature occorrenti alla reazione che si aggirano attorno ad

alcuni milioni di gradi. Non esiste al mondo alcun materiale solido capace di resistere a tali

temperature.

Recenti esperimenti di fusione a freddo hanno fatto sperare in una prossima soluzione del problema.

Gli scienziati ritengono però che l’utilizzazione commerciale della fusione nucleare non potrà iniziare

prima del 2020/2050.

Le materie prime per il processo di fusione, deuterio e trizio, sono disponibili in grandissima quantità a

bassi costi: il deuterio si ricava dall’acqua di mare, il trizio si ricava dal litio.

L’energia di fusione potrà essere forse il futuro dell’umanità, non solo dal punto di vista della

disponibilità praticamente illimitata, ma anche da quello di sicurezza.

Infatti non produrrà scorie radioattive che, al contrario, sono un gravissimo problema nella produzione

di energia per fissione.

Analizziamo ora i processi fisici che si celano dietro a questo genere di reazione.

Nella fusione nucleare la massa e l'energia sono legate dalla teoria della relatività

ristretta di Einstein secondo l'equazione: 2

E = mc 8

in cui: E è l'energia, m è la massa della particella

2

in esame, e c è il quadrato della velocità della

luce nel vuoto.

In questo tipo di reazione il nuovo nucleo

costituito ed il neutrone liberato hanno una massa

totale minore della somma delle masse dei nuclei

reagenti, con conseguente liberazione di

un'elevata quantità di energia, principalmente

energia cinetica dei prodotti della fusione.

Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono

essere sufficientemente vicini, in modo che

la forza nucleare forte predomini sulla repulsione

coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica

positiva, quindi si respingono): ciò avviene a

distanze molto piccole, dell'ordine di

−15

qualche femtometro (10 metri). L'energia

necessaria per superare la repulsione

coulombiana può essere fornita ai nuclei

portandoli ad

Curve rappresentative di varie reazioni di fusione altissima pressione (altissima temperatura, circa

nucleare: deuterio-deuterio (D-D), deuterio-trizio 10⁷ kelvin, e/o altissima densità).

3

(D-T), deuterio-elio-3 (D-He ). La soglia per la L'energia potenziale totale di un nucleo è

reazione D-T è circa 50 keV, per la reazione D- notevolmente superiore all'energia che lega

3

He è circa 100 keV; per le reazioni D-D è di oltre gli elettroni al nucleo. Pertanto

100 keV. l'energia rilasciata nella maggior

parte delle reazioni nucleari è

notevolmente maggiore di quella

delle reazioni chimiche. Ad esempio

l'energia di legame dell'elettrone al

nucleo di idrogeno è di

13,6 eV mentre l'energia che viene

rilasciata dalla reazione D-T mostrata

in seguito è pari a 17,5 MeV, cioè più

di un milione di volte la prima. Con

un grammo di deuterio e trizio si potrebbe quindi produrre l'energia sviluppata da 11 tonnellate

di carbone.

Gli atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura e in ingegneria, sono gli isotopi

dell'atomo di idrogeno, caratterizzati da minimo numero atomico, a cui corrisponde la minima energia di

innesco. Tuttavia all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti,

si ritiene fino al ferro.

La fusione nucleare controllata potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla terra,

perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas

serra e con la produzione di limitate quantità scorie radioattive fra cui il trizio; una piccola quantità di