Lezioni: Appunti di Elementi di fisica nucleare

Introduzione

Per fisica moderna si intende tutto ciò che segue dalle equazioni di Maxwell. Un'onda è caratterizzata da lunghezza d'onda e frequenza: λν = c, con c velocità della luce nel vuoto.

Le eq. di Maxwell ci dicono anche nel mezzo: c = 1 / √εΜο.

L'onda e.m. porta un'energia, e ciò è legato alla sua natura corpuscolare. Questa energia è direttamente proporzionale alla frequenza. Nel fotone l'energia è ^{(effetto fotoelettrico)} legata alla costante di Planck → Ε_y = hγ.

La scoperta degli effetti quantistici ha reso possibile un'interpretazione più corretta della realtà fisica (fenomeni microscopici). Si è scoperto che le particelle subatomiche rispondono a leggi quantistiche (comportamento).

Introduzione

Per fisica moderna si intende tutto ciò che segue dalle equazioni di Maxwell. Un'onda è caratterizzata da lunghezza d'onda e frequenza: λν = c, con c velocità della luce nel vuoto.

Le eq. di Maxwell ci dicono anche nel mezzo: c = ₁/^{√ε₀μ₀}.

L’onda e.m. porta un’energia, e ciò è legato alla sua natura corpuscolare. Questa energia è direttamente proporzionale alla frequenza. Nel fotone l’energia è legata alla costante di Planck → E_v = hv.

La scoperta degli effetti quantistici ha reso possibile un’interpretazione più corretta della realtà fisica (fenomeni microscopici). Si è scoperto che le particelle subatomiche rispondono a leggi quantistiche (comportamento ondulatorio) e non come corpi macroscopici.

Ad esempio, nel reticolo di diffrazione si nota che un fascio di elettroni si comporta come un fascio di luce.

Ad esempio, la PET è uno strumento che si basa sull'emissione di positroni (e⁺, antiparticella dell'elettrone), che vengono generati tramite decadimento nucleare β⁺.

Comprensibilmente neutro, ci sono come elettroni.

Notazioni e massa atomica

• Notazioni:
• Numero di massa (massa atomica A = N + Z)
• Numero atomico (protoni Z)
• M_A ≈ A m_N

Neutroni e protoni possono essere chiamati nucleoni. La massa di un elettrone è circa 2000 volte più piccola dei nucleoni (m_e ≈ m_N/2000), quindi la massa atomica coincide con A.

• La reazione tra anti-particelle genera raggi γ, usati nella PET → e⁺ + e^- → 2γ da due particelle si ottengono raggi (onde).

2e⁺ + e^- → 2_γν

2m_e m_γ = 0 → 2_γ

Si ottiene qualcosa senza massa, la massa viene convertita in energia elettromagnetica (viene detta annichilazione), avviene per la conservazione dell'energia; ΔM ↔ ΔE_K (equivalenza massa-energia). È un effetto quantistico! Abbiamo una variazione di massa, che corrisponde ad una variazione di energia cinetica.

Esame con teoria e esercizi, solo facoltativo.

Esperimento Rutherford

Permise di chiarire la struttura atomica e la massa del nucleo. Il primo modello fu quello di Thompson, dove venne definito il numero Z (elettrone) che rappresenta il numero di elettroni. Sappiamo che l'atomo è elettricamente neutro, quindi devono esserci un ugual numero di protoni.

Il modello Thomson prevedeva una sfera di carica positiva, con le cariche negative all'interno (uniformemente distribuite). Il modello venne corretto da Rutherford, che effettuò un esperimento grazie al decadimento radioattivo del Radio:

₈₆²²⁶Ra → ₂₂₂Rn + ⁴₂He.

Si ottiene quindi una particella α di Elio, con carica 2e, che viene sparata su uno schermo (foglio di oro); le particelle vengono deviate di un angolo Θ, per repulsione elettrostatica.

Se il modello di Thomson fosse corretto, la distribuzione delle particelle deviate (angolare) dovrebbe essere uniforme. Ciò che si osserva tuttavia, è che alcune particelle vengono deviate di angoli molto grandi, addirittura tornano indietro!

Quindi la deflessione non è uniforme al variare di θ, infatti alcune particelle (poche) tornano indietro coprendo un "muro", altre fanno traiettoria rettilinea (non incontrano ostacoli), quindi deve essere una regione di materia concentrata corrispondente al nucleo.

Analizzando statisticamente il numero di particelle deflesse totalmente o no, Rutherford stimò la dimensione del nucleo.

Se d_n ≃ 10⁻¹⁰ m = 10⁻⁸ cm = 1 Å (atomo).

d_n ≃ 10⁻¹⁴ m = 10⁻¹² cm (nucleo).

1 fm = 10⁻¹⁵ m = 10⁻¹ cm.

1 femtometro.

Quindi l