La scoperta del nucleo
Rutherford bombardando una lamina d’oro con particelle alfa, vide che il 99% attraversava la lamina e l’1% rimbalzava sul nucleo degli atomi della lamina d’oro: quell’1% ha cambiato la storia.
Caratteri del nucleo
Il nucleo atomico ha la forma di una sfera schiacciata come una lenticchia.
La densità di massa del nucleo è altissima 10^17 kg/mc.
Il nucleo è formato da Protoni e Neutroni.
Il Neutrone ha una massa leggermente maggiore del Protone, a differenza di massa N-P = 2,5 volte la piccola massa dell’elettrone.
N e P sono legati fra loro da una forza o interazione nucleare forte che vince la forza elettromagnetica respingente dei P.
Interazione nucleare forte
Neutroni e Protoni sono legati fra loro da una forza o interazione nucleare forte che vince la forza elettromagnetica respingente dei Protoni.
La interazione nucleare forte attrae solo nel raggio del nucleo, è una forza a breve raggio.
Invece la forza elettromagnetica, al pari della forza gravitazionale dei pianeti, è più debole ma di lungo raggio. Le forze elettromagnetica e gravitazionale si estendono all’infinito, anche se diminuiscono con il quadrato della distanza.
Quindi l’interazione fra atomi per formare molecole è solo elettromagnetica.
Gli elettroni non risentono della forza nucleare.
Perdita di massa e relatività
Quando neutroni e protoni si mettono insieme c’è una piccola perdita di massa, viene liberata dell’energia nell’ambiente. La perdita di massa è cosi piccola che nella fisica tradizionale non viene rilevata, ma la perdita di massa è reale e la fisica relativistica se ne accorge, quindi la fisica relativistica è più corretta della fisica tradizionale.
La fisica tradizionale funziona bene dall’atomo in su, ma dentro l’atomo è troppo approssimativa e non funziona più, insomma dentro l’atomo quel quid di energia persa cambia tutto, e quindi viva la fisica relativistica.
L’energia dell’interazione nucleare forte
L’energia che tiene insieme le particelle nucleari è un milione di volte più forte di quella che trattiene gli elettroni, ciò spiega perché è facile costruire nuove molecole e come sia quasi impossibile addentrarci dentro il nucleo. Così il nucleo ci parla solo della sua massa e della sua carica elettrica.
Il decadimento radioattivo
Nel 1896 Becquerel scopre accidentalmente che qualcosa, proveniente dall’atomo, impressiona una lastra fotografica, ma è Rutherford nel 1899 che appura trattarsi di radiazioni alfa e beta. I raggi alfa vengono fermati facilmente dalla carta, mentre per fermare i beta ci vuole almeno un foglio di alluminio.
Con le Radiazioni alfa e beta la massa si trasforma in energia, cioè avviene un decadimento radioattivo di elementi instabili.
Decadimento alfa
Nel decadimento alfa viene emesso un atomo di elio.
Il decadimento alfa avviene con gli atomi con A > 210, e non avviene mai con A < 140. L’energia liberata la si vede bene nel movimento della particella alfa, nucleo He carico positivamente, e si nota appena nel movimento opposto del grosso nucleo positivo che la respinge.
Decadimento beta negativo
Nel decadimento beta negativo, nuclei pesanti, che naturalmente hanno un eccesso di neutroni, emettono un elettrone.
Nel decadimento beta negativo un neutrone si trasforma in protone con l’emissione di un elettrone. Ma questo elettrone da dove viene? L’elettrone viene creato quasi dal nulla, mediante un processo di conversione massa energia. Questo fenomeno si capisce ammettendo una quarta interazione nucleare ma debole.
Decadimento beta positivo
Nel decadimento beta positivo, nuclei radioattivi artificiali che per un eccesso di protoni, emettono un positrone.
Altre informazioni sul Decadimento radioattivo…
Conseguenze
I 3 decadimenti portano alla formazione di elementi diversi, è la realizzazione della fantastica alchimia del passato, che si chiama modernamente trasmutazione.
Durante il decadimento il nucleo emette energia elettromagnetica in forma di raggi gamma.
I raggi gamma hanno frequenza alta, molto penetranti, provengono dal nucleo.
Invece i raggi X provengono dai livelli energetici degli elettroni e la frequenza è inferiore ai gamma.
Le 4 forze della natura
Così siamo arrivati alle 4 forze che sovrintendono la realtà, elencate secondo la loro intensità:
Forza nucleare forte = 1
Interazione elettromagnetica 2
Forza nucleare debole = 10^-9
Forza gravitazionale = 10^-38
Neutrino e antineutrino
Tutte le particelle elementari possono essere create e distrutte. Ogni particella ha la sua antiparticella, la differenza è solo nella carica elettrica.
Una coppia particella e sua antiparticella si annichilisce producendo fotoni.
Durante il decadimento beta viene emessa una nuova particella:
nel beta positivo viene emesso un neutrino nel beta negativo viene emesso un antineutrino.
Neutrino e il suo anti sono stati ipotizzati nel 1930 da Pauli, ma verificati nel 1956 da Cowan.
Un neutrino nel decadimento beta inverso interagendo con neutrone producendo un protone ed un elettrone.
Neutrino ed elettrone non sono soggetti all’interazione forte, si chiamano leptoni.
Quark e antiquark
Invece protoni e neutroni sono composti da quark e antiquark, risentono dell’interazione forte, e si chiamano adroni.
II quark sono legati fra loro dalla interazione nucleare forte.
Esistono due tipi di quark: quark up e quark down.
I quark come elettroni e neutrini hanno spin 1/2, per cui son detti fermioni. La carica elettrica dei quark è frazionaria: il quark up è +2/3, il quark down è -1/3.
Il protone è formato da due up e un down. Il neutrone è formato da un up e due down.
Ad ogni quark corrisponde un antiquark con carica elettrica opposta, che così danno luogo all’antiprotone e all’antineutrone.
Non esistono quark liberi, ma solo legati.
L’energia di legame del nucleo
L’energia di legame di protoni e neutroni cresce fino all’isotopo di Nichel con massa 62, per poi lentamente cala fino all’uranio 238.
Ne consegue che rompere (fissione) i nuclei maggiori di Ni62 dà nuclei più piccoli e la loro energia di legame è maggiore di quella di partenza.
Ne consegue che legare (fusione) nuclei più piccoli di Ni62, forma nuclei più grandi e l’energia di legame finale è maggiore di quella iniziale.
Quindi in quelle circostanze fissione e fusione sono energeticamente vantaggiose.
La fissione nucleare
La fissione nucleare avviene bombardando con neutroni lenti un atomo di Uranio 235, diventa Uranio 236, che si frantuma in Bario 144, Kr 89 e 2 o 3 neutroni.
C’è una perdita di massa che si vede come energia liberata.
I neutroni lenti rimbalzano molto meno di quelli veloci quando incontrano uno atomo e quindi vengono inglobati nel nucleo che diventa U 236.
I due o tre neutroni emessi permette che la reazione di fissione continui: reazione a catena.
La fusione nucleare
Quando due nuclei si avvicinano, si toccano, c’è una forza li spinge indietro, è la repulsione elettrostatica.
I nuclei utilizzati sono isotopi dell’idrogeno e vengono sparati l’uno contro l’altro in modo da vincere la repulsione.
La fusione si ottiene alla temperatura delle stelle: 10^10 kelvin.
Questa temperatura mette in movimento gli elettroni dell’idrogeno.
Viene impiegato l’idrogeno deuterio, massa 2, che in natura si trova nell’acqua in rapporto di 1 a 5000 (prozio massa 1).
L’idrogeno deuterio perde gli elettroni, per cui abbiamo un gas ionizzato, cioè allo stato di plasma.
Gli elettroni si muovono disordinatamente, e in questo disordine avviene la fusione.
Il deuterio si scontra con il trizio.
Il trizio (massa 3) è prodotto dal litio (massa 6).
H2 + H3 = He4 + 1 neutrone + energia.
Un atomo di elio ha una massa dell’0,8% più piccola della massa di 4 atomi di idrogeno, questa differenza è proprio la trasformazione di massa in energia, propria della legge di Einstein E = m x VL^2.
La fusione atomica nelle Stelle
Nel Sole la fusione dell’idrogeno che diventa elio si raggiunge per 2 diverse strade: la catena protone protone che realizza il 99% dell’energia e il ciclo carbonio azoto ossigeno solo l’1% dell’energia.
Nelle stelle con massa maggiore a 1,3 volte la massa solare la reazione più importante è il ciclo CNO.
La catena protone protone
Nel 1° passo 2 protoni con l’interazione debole diventano il nucleo del deuterio.
Nel 2° passo un nucleo del deuterio e un protone con l’interazione forte diventa elio 3.
Nel 3° passo due elio 3 con l’interazione forte diventa un elio 4.
Il ciclo CNO
Il ciclo CNO parte dal carbonio 12, giunge all’azoto 15, quindi perde un elio 4 e torna al C12.
A questo punto vediamo come si formano i 100 e più elementi presenti sulla Terra: le nucleosintesi primordiale, supernova.