Fisica nucleare e subnucleare
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La fisica nucleare è la branca della fisica che cerca di rispondere alla domanda "Com'è fatto il nucleo degli atomi?".
Essa si distingue dalla fisica delle particelle, la quale cerca di rispondere alla domanda "Come sono fatte le particelle più piccole del nucleo atomico?". All'interno della fisica delle particelle, la cromodinamica quantistica si occupa dello studio dei quark, le particelle da cui sono formate la maggior parte delle altre particelle. Fino a qualche anno fa la fisica delle particelle era chiamata fisica subnucleare, ma oggi questa espressione sta cadendo in disuso. Infatti tale termine si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note sono esterne ad esso.
La fisica nucleare e subnucleare (che insieme si possono dire fisica subatomica) si occupano dello studio delle proprietà statiche e dinamiche degli aggregati di particelle che si trovano al centro degli atomi. Questi aggregati vengono detti nuclei perché sono piccoli, densi, massivi e sono situati al centro dell'atomo. La fisica nucleare propriamente detta si occupa delle proprietà dei nuclei in quanto costituiti da due tipi di particelle, neutroni e protoni, mentre la fisica subnucleare si occupa delle proprietà dei singoli componenti dei nuclei (che sono a loro volta costituiti da quark) e di altre particelle che possono giocare un ruolo importante nella loro interazione (come i mesoni).
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[modifica] Fisica nucleare
La fisica nucleare è principalmente divisa in fisica della struttura nucleare, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (come la loro massa, i loro livelli energetici, i decadimenti etc.) e fisica delle reazioni nucleari, che studiano i processi in cui due o più nuclei interagiscono collidendo in vario modo per formare altri nuclei, magari emettendo altre particelle, frammentandosi, fondendo o semplicemente cambiando il loro stato di moto.
Le due sottodiscipline sono interconnesse, nel senso che le nostre informazioni sulla struttura ci pervengono quasi unicamente dallo studio delle reazioni e dei decadimenti (naturali o artificiali). Le reazioni nucleari che si manifestano in natura sono i decadimenti radioattivi o trasmutazioni e le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle, generando luce, calore e altre radiazioni. In laboratorio si utilizzano acceleratori di particelle (come ad esempio il generatore di Van de Graaff, i linac, i tokamak, i betatroni o i sincrotroni) per studiare le reazioni nucleari o per ricreare le condizioni del plasma stellare.
[modifica] Storia del modello atomico
La storia dell’atomo ha origini antichissime, già nell’antica Grecia, Democrito (Ipotesi atomica di Democrito) parlava di atomi, come di particelle indivisibili che compongono la materia. Nel XIX secolo vennero scritte le prime teorie riguardanti l’atomo sulla base dei pochi dati sperimentali di allora.
John Dalton formulò la prima teoria atomica:
- La materia non è continua, ma è composta da particelle che non possono essere ulteriormente divisibili né trasformabili, gli atomi;
- Gli atomi di un particolare elemento sono tutti uguali tra loro e hanno la stessa massa;
- Gli atomi di elementi diversi hanno massa e proprietà differenti;
- Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non tra frazioni di essi;
- In una reazione chimica tra due o più elementi gli atomi, pur conservando la propria identità , si combinano secondo rapporti definiti dando luogo a composti.
Nel 1897 Joseph John Thomson ipotizzò che l’atomo fosse una sfera omogenea composta da particelle più piccole cariche positivamente e di elettroni senza che però avessero una precisa disposizione nello spazio.
Ernest Rutherford ipotizzò che la massa e la carica elettrica positiva fossero concentrate in una parte molto piccola dell'atomo chiamata nucleo, e che gli elettroni si trovavano nella zona periferica, a grande distanza dal nucleo. Riuscì a dimostrare ciò bombardando una lamina d’oro con particelle alfa (elio) che venivano emesse da polonio radioattivo (scattering Rutherford). Se la teoria di J.J. Thomson fosse stata valida le particelle alfa si sarebbero sempre comportate allo stesso modo, invece alcune particelle superavano la lamina, altre venivano deviate. Rutherford ipotizzò che le particelle deviate dovevano passare vicino al nucleo carico positivamente, mentre quelle che superavano la lamina passavano nello spazio tra il nucleo e gli elettroni. Riuscì a valutare l’angolo di deviazione predisponendo dei riflettori in solfuro di zinco sensibili alle particelle alfa.
Nel 1913 il modello di Rutherford fu migliorato da Niels Bohr il quale sosteneva che gli elettroni ruotassero intorno al nucleo cambiando orbita a seconda se ricevevano o perdevano energia.
L’ultimo modello è il modello quantistico secondo il quale non è possibile sapere con precisione dove si trova l'elettrone ma è possibile determinare in quale luogo andrà con una certa probabilità.
[modifica] Alcune date
- Scoperta del nucleo (Rutherford - 1912)
- Scoperta del protone (Rutherford - 1919)
- Scoperta del neutrone (Chadwick - 1932)
[modifica] Modelli nucleari
Diversamente dal modello atomico, non esiste un unico modello nucleare capace di spiegare tutte le sue proprietà, esistono però di versi modelli che si completano a vicenda. I motivi sono principalmente due:
- non esiste un corpo centrale di grande massa che rappresenti il centro di attrazione
- non si conosce la struttura del potenziale di interazione nucleare
[modifica] Il modello a goccia di liquido
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Per approfondire, vedi la voce Modello atomico di Bohr. |
Il modello nucleare a goccia fu ipotizzato nel 1939 da Niels Bohr e da John Archibald Wheeler per spiegare la perdita di massa durante una fissione nucleare (difetto di massa). Quando il nucleo viene colpito da un neutrone si produce un assorbimento di questa particella da parte del nucleo stesso e ciò causa un eccesso di energia che determina un moto oscillatorio (come una goccia di liquido che ha assorbito energia meccanica). Il moto oscillatorio causa quindi un allungamento del nucleo finché questo non si rompe (fissione nucleare).
[modifica] Il modello a guscio (Shell)
Il modello a goccia è in grado di spiegare le proprietà del nucleo durante la fissione nucleare, ma non dei singoli nucleoni. Secondo il modello a guscio (shell, o a strati) i nucleoni hanno proprietà simili a quelle degli elettroni intorno al nucleo, ovvero essi si trovano su orbitali dove agiscono forze nucleari attrattive. Quando il numero di neutroni o protoni corrisponde ai cosiddetti "numeri magici" (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) i nuclei sono particolarmente stabili, mentre nucleoni successivamente aggiunti risultano debolmente legati (1 - 2 MeV). Secondo il modello a strati, all'interno del nucleo i nucleoni si riuniscono in coppie del tipo n-n e p-p.
[modifica] Il modello collettivo
Anche il modello a guscio non è del tutto soddisfacente e deve essere integrato con il modello a goccia. Da questa integrazione nasce il modello collettivo, che però lascia ancora insoluti molti problemi sulla natura del nucleo
[modifica] Le forze nucleari
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Per approfondire, vedi le voci Interazione, Interazioni fondamentali, Forza nucleare forte e Forza nucleare debole. |
Le forze nucleari (o interazioni nucleari) permettono l'esistenza e la trasformazione del nucleo atomico. Le forze nucleari, forza nucleare forte e forza nucleare debole rientrano nel modello standard insieme a interazione elettromagnetica e forza di gravità.
[modifica] Forza nucleare forte
La forza nucleare forte è quella forza che vincendo l'interazione elettromagnetica permette l'esistenza del nucleo. Il nucleo infatti composto da protoni (carichi positivamente) e neutroni (senza carica) non potrebbe esistere a causa dell'interazione elettromagnetica che tende ad allontanare i protoni. I protoni ed i neutroni (chiamati genericamente nucleoni) non sono particelle elementari, ma sono dotate di struttura. I suoi componenti, i quark interagiscono per mezzo dei gluoni a gruppi di tre (barioni), o due (mesoni). L'intensità di questa forza aumenta con l'aumentare della distanza tra quark, come in un elastico. Tuttavia, la maggior parte delle proprietá dei nuclei e della materia nucleare che si trova all'interno delle stelle compatte, come ad esempio le stelle di neutroni, sono descrivibili in termini di una interazione che ha come gradi di libertá solo i nucleoni. Tale interazione é quindi una interazione efficace, ed é generalmente denominata come interazione nucleare. L'interazione nucleare é caratterizzata da tre parti principali: una, valida a piccole distanze che é fortemente repulsiva, una a distanze intermedie dovuta allo scambio di due o piú pioni e a quello di mesoni piú pesanti del pione, ed infine una a grandi distanze dovuta allo scmabio di un solo pione e chiamata One Pion Exchange Potential (OPEP). Le prime due componenti sono largamente fenomenologicche e non si riesce a tutt'oggi a derivarle partendo direttamente dalla interazione fondamentale esistente tra i quark o piú propriamente dal modello standard. Le forze nucleari sono fortemente dipendenti dallo spin dei nucleoni e dalla natura del nucleone, sia esso un protone o un neutrone. Inoltre hanno dei termini importanti che violano la simmetria rotazionale ed altri che sono non locali. Uno di questi é la forza tensoriale, cosí chiamata perché ha la struttura di un tensore nelle variabili che caratterizzano la distanza tra due nucleoni. Questa forza é largamente responsabile del legame che tiene uniti i nucleoni per formare un nucleo, e sta alla base di molte proprietá nucleari. Da piú di una decade sappiamo inoltre che l'interazione nucleare deve anche avere forze a tre corpi per poter descrivere le proprietá dei nuclei (il che conferma la sua natura di forza effettiva e non fondamentale). La repulsione a corte distanze, la forte dipendenza dallo spin, la natura tensoriale delle forze a due corpi, la loro non localitá e le forze a tre corpi rendono molto complessa la risoluzione della equazione di Schroedinger per i nuclei e per la materia nucleare. Questa é infatti materia di un importante campo di ricerca che si chiama problema nucleare dei molti corpi. Dato il carattere prettamente fenomenologico della interazione nucleare, questa deve essere determinata riproducendo tutti i dati sperimentali di bassa energia che caratterizzano il sistema di due nucleoni e le proprietá dei nuclei. Ció tuttavia non porta univocamente ad una interazione nucleare. Esistono infatti varie interazioni nucleari che prendono il nome dalle cittá o dai laboratori in cui sono state derivate (Argonne, Urbana, Parigi, Bonn, etc.. ). Tutti queste interazioni fenomenologiche riproducono molto bene le proprietá del deutone e i dati di scattering nucleone-nucleone fino a circa 400 MeV e abbastanza bene le proprietá di bassa energia dei nuclei leggeri. Sembrano tuttavia non adeguate per descrivere le proprietá della materia nucleare a medie e medio-alte densitá, che invocano forze a piú di tre corpi e/o delle correzioni relativistiche. Per non parlare delle alte densitá dove avvicinandoci alla transizione quark-glon plasma, un modello di interazione basato sui gradi di libertá nucleonici non va piú bene.
[modifica] Forza nucleare debole
La forza nucleare debole è responsabile della trasformazione e del decadimento di leptoni e quark. Essa agisce tramite i bosoni W e Z. Per esempio nel decadimento beta:
Nel neutrone iniziale composto di due quark down e un quark up, un quark down emette un bosone W − , per interazione della forza nucleare debole, trasformandosi in quark up (quindi il neutrone è diventato un protone). Il bosone W decade in un elettrone e in un antineutrino che si allontanano dal nucleo.
[modifica] La radioattività
La radioattività, o decadimento dell'atomo, è quel fenomeno per cui atomi instabili perdono materia per diventare stabili (e quindi con una massa più piccola). La radioattività è molto pericolosa per gli esseri viventi perché le particelle rilasciate possono modificare la struttura delle cellule. In medicina le radiazioni vengono usate per curare tumori o per osservare l'interno del corpo umano. Il tempo di decadimento è proporzionale con la perdita di massa dell'atomo, ma varia per ogni elemento.
Si considerino, per fissare le idee, due scatole di scarpe senza coperchio identiche e incollate fra loro. In una si mettano un po' di palline che chiameremo neutroni, nell'altra un po' di palline che chiameremo protoni. Le prime hanno una massa leggermente maggiore, mentre le seconde possiedono una debole carica elettrica (debole rispetto alla forza nucleare).
Per simulare l'elevata temperatura del nucleo atomico, si agitino le scatole. Può succedere talvolta che una pallina cada fuori e finisca sul pavimento (radioattività alfa), oppure che passi da una scatola all'altra (radioattività beta), o ancora che finisca sul bordo, resti in equilibrio un po' e poi torni in una scatola (radioattività gamma).
[modifica] Radioattività alfa
Nel decadimento alfa l'atomo perde una particella α cioè un atomo di elio privo dei suoi elettroni (due protoni e due neutroni). Il decadimento α non è molto forte e basta un foglio di carta per bloccare una particella α. Il radio (Rn226) è instabile e tende a perdere due neutroni e due protoni trasformandosi in Radon (Rn222).
[modifica] Radioattività beta
La radioattività beta si verifica quando il numero di protoni e il numero di neutroni in un nucleo sono molto diversi fra loro. Accade allora che uno o più nucleoni si trasformi in un nucleone dell'altra famiglia per riequilibrare il nucleo. Durante la trasformazione viene emesso un elettrone, tuttavia durante il passaggio si deve avere conservazione della carica elettrica, della massa-energia e dello [[spin]. Negli esperimenti risultava sempre una perdita di energia.
Nel 1927 Pauli ipotizza l'esistenza del neutrino che "porti" l'energia mancante. Nel 1933 Fermi sostiene che la coppia elettrone-neutrino sia causata dalla forza nucleare debole.
La radioattività beta dipende comunque dal nucleone:
- un protone si trasforma in un neutrone emettendo un positrone e un neutrino
- un neutrone si trasforma in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino.
[modifica] Radioattività gamma
Il decadimento gamma è una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. Essa non consiste nell'emissione di materia ed è provocata dall'annichilimento di un elettrone e un positrone. Essendo una radiazione ad alta frequenza è molto pericolosa e penetrante, per fermarla occorrono diversi centimetri di piombo.
[modifica] Reazioni nucleari
[modifica] Fusione nucleare
[modifica] Fissione nucleare
- dal latino fissire=scindere. Un processo di fissione nucleare si verifica quando un elemento fissile ( ossia adatto alla fissione come uranio-235 ) viene bombardato con neutroni, particelle particolarmente adatte allo scopo poiche` sono prive di carica e possono penetrare nei nuclei atomici senza venire respinti.
[modifica] Fisica delle particelle
[modifica] Il concetto di bosone e fermione
- spin
- bosoni: definizioni e alcuni esempi
- fermioni: definizione e alcuni esempi
Lo spin altro non è che un operatore matematico introdotto agli inizi del novecento che si comporta come un generico operatore momento angolare con tutte le conseguenti proprietà ad esso legate. A questo operatore è associato un numero quantico, detto "di spin", (in nomenclatura canonica s che nel caso di un singolo elettrone ha valore s = 1/2). Il termine Spin introdotto da Pauli deriva dall'inglese ruotare, in quanto comunemente il numero quantico di spin viene associato alla rotazione dell'elettrone attorno ad un proprio asse; in realtà questa concezione liceale è molto imprecisa in quanto l'elettrone per quanto ne sappiamo oggi è un oggetto puntiforme che non ha un proprio asse di rotazione, addirittura univoco. In conclusione il termine Spin è un termine abbastanza fuorviante ma oramai utilizzato quotidianamente dai fisici.
Quando ci riferisce a spin up o spin down non si deve quindi pensare all'elettrone che ruota in senso orario o antiorario rispetto al proprio ipotetico asse, ma semplicemente ad un ulteriore numero quantico, in nomenclatura canonica chiamato ms,che puà assumere nel caso del singolo elettrone valore + 1/2, - 1/2 il quale è inoltre legato alla proiezione dell'operatore momento angolare di spin su un asse arbitrario di un sistema di riferimento cartesiano.
l'introduzione ad hoc di questo operatore matematico nella teoria atomica fu necessario tra le altre cose a giustificare gli esperimenti di Stern-Gerlach sui fasci di atomi in un campo magnetico diretto lungo un asse fissato.
[modifica] Famiglie di particelle
- leptoni: elettrone e neutrini
- adroni: nucleoni e iperioni
- mesoni
[modifica] Stranezza S, incanto C, bellezza B e verità T
[modifica] Bosoni di campo
- fotoni (campo elettromagnetico)
- gravitoni (campo gravitazionale)
- bosoni intermedi (campo nucleare beta)
- gluoni (campo cromodinamico)
[modifica] Cromodinamica quantistica
[modifica] La struttura dei nucleoni; numero quantico di colore
- quark u (up), quark d (down)
- protone = u u d
- neutrone = u d d
- i gluoni
[modifica] La struttura delle altre particelle
- quark s (strange), quark c (charm), quark b (bottom), quark t (top)
- mesoni: coppie quark-antiquark
- barioni: terne di quark
- leptoni: controparte dei quark
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