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1 L'energia Nucleare Attualità E Prospettive

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1 L'energia Nucleare Attualità E Prospettive L’ENERGIA NUCLEARE ATTUALITÀ E PROSPETTIVE G. Giorgio Bombi – Dipartimento di Scienze Chimiche “Little Boy” – Hiroshima, 6 agosto 1945 IL FENOMENO DELLA RADIOATTIVITÀ “Fat Man” – Nagasaki, 9 agosto 1945 Combinando fra di loro i quark si producono gli adroni: Le particelle elementari 3 quark formano un barione (protone o neutrone) 2 quark (1 quark + 1 antiquark) formano un mesone Fermioni (particelle con spin semiintero): 24 particelle in totale: 6 quark quark up: carica 2/3 6 leptoni (elettrone, muone, tauone, neutrini: elettronico, muonico, tauonico) quark down: carica -1/3 altrettante antiparticelle protone neutrone Bosoni (particelle con spin intero): 6 (o 7?) particelle in totale: (up up down) (up down down) gluone: mediatore della forza forte (spin 1) Fortunatamente, per i nostri scopi sarà sufficiente prendere in bosoni elettrodeboli (spin 1) considerazione solo 7 particelle: - fotone (mediatore della forza elettromagnetica) - bosoni deboli: W +, W - e Z0 (mediatori della forza debole) protoni neutroni bosone di Higgs (spin 0) elettroni (e antielettroni) gravitone (mediatore della gravità) (spin 2) (?) neutrini (e antineutrini) elettronici fotoni 1 Un particolare nuclide può essere rappresentato indicando il IL CONCETTO DI NUCLIDE simbolo dell’elemento corrispondente, il numero di massa e il numero atomico (quest’ultima indicazione è in realtà pleonastica!). Per nuclide si intende una specie atomica caratterizzata dalla Ad esempio, l’elemento carbonio ha due isotopi stabili: il costituzione del suo nucleo, cioè dal numero di protoni (Z) e dal carbonio-12 il cui nucleo contiene 6 protoni e 6 neutroni e il numero di neutroni (N). I protoni e i neutroni vengono chiamati carbonio-13 il cui nucleo contiene 7 neutroni. collettivamente nucleoni. I simboli corrispondenti sono 12C (o semplicemente 12C) e 13C La somma del numero di protoni e del numero di neutroni, A = Z + N, 6 6 prende il nome di numero di massa. (o semplicemente 13C). Le proprietà chimiche di un atomo dipendono (praticamente) solo dal Esiste in natura anche un isotopo radioattivo del carbonio, il numero degli elettroni, ovviamente eguale al numero dei protoni del carbonio-14, il cui nucleo contiene 8 neutroni. 14 14 suo nucleo. Il simbolo corrispondente è 6 C (o semplicemente C). Un elemento chimico è quindi caratterizzato dal valore di Z (numero Per curiosità: sono noti altri 12 isotopi del carbonio, fra 8C e 11C atomico). L’insieme dei nuclidi con lo stesso valore di Z e con valori e fra 15C e 22C. Tutti questi nuclidi sono radioattivi con emivita diversi di N (o di A) costituiscono gli isotopi dell’elemento in molto breve (20.3 min nel caso del più stabile, 11C) e quindi non questione. sono presenti in natura. I componenti di un nucleo sono tenuti assieme dalla “forza nucleare forte”, caratterizzata da un raggio d’azione Unità di massa atomica estremamente ridotto (circa 2 fm) . La forza nucleare agisce (quasi) allo stesso modo su neutroni e protoni. Su scala atomica o molecolare le masse vengono espresse utilizzando la “unità unificata di massa atomica” (simbolo u); Con l’eccezione tale unità viene comunemente chiamata dalton (simbolo Da). dell’idrogeno-1 e dell’elio-3, Il dalton è definito come 1/12 della massa di un atomo di tutti i nuclidi stabili carbonio-12. Sperimentalmente si trova contengono un numero di -27 neutroni almeno eguale al 1 Da = 1.660 538 921 × 10 kg numero dei protoni. Questo Massa del protone: 1.007 276 466 812 Da perchè solo in queste condizioni la forza nucleare Massa del neutrone: 1.008 664 916 00 Da è in grado di contrastare la Massa dell’elettrone: 5.485 799 094 6 × 10-4 Da repulsione coulombiana fra i protoni Il valore numerico della massa di un atomo espressa in dalton è sempre molto prossimo al numero di massa dell’atomo stesso. Dipendenza dalla distanza della forza nucleare forte (1 fm = 10-15 m = 10-6 nm) Il difetto di massa Alcuni esempi Nella (ipotetica) formazione di un nucleo a partire dai nucleoni Nella tabella seguente Σ rappresenta la somma delle masse dei componenti si ha liberazione dell’energia di legame fra i nucleoni nucleoni, M la massa effettiva del nucleo e Δ la differenza stessi (azione della forza nucleare forte). Questa liberazione di percentuale fra i due valori. energia si traduce in una diminuzione di massa in base alla relazione di Einstein: E = mc 2 Di conseguenza, la massa di un dato nucleo è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni che lo costituiscono. Ricordiamo che l’energia messa in gioco nei processi nucleari (e anche nei processi chimici) si misura spesso in elettronvolt. 1 eV = 1.602 176 565 x 10-19 J ~ 1.6022 x 10-19 J Se riferita a una mole questa energia corrisponde a 1.6022 x 10-19 x 6.0221 x 1023 J = 96.485 kJ A conti fatti, 1 Da corrisponde a 931.494 061 MeV. 2 Andamento dell’energia di legame media per nucleone in funzione del numero di massa Il massimo della curva che rappresenta il difetto medio di massa, e anche (in base alla relazione di Einstein) l’energia media di legame fra i nucleoni, si trova nella regione attorno ad A = 60. È quindi (teoricamente) possibile ricavare energia sia combinando fra di loro nuclei leggeri (fusione) sia frammentando nuclei pesanti (fissione). I nuclidi più stabili (con energia di legame È noto in particolare che l’energia delle stelle proviene media per nucleone maggiore) sono 62Ni, dalla fusione di idrogeno in elio. 58Fe, 56Fe e 60Ni Classificazione dei nuclidi conosciuti La “carta dei nuclidi” Rappresenta, nel piano Z – N, i Sono attualmente noti circa 3300 nuclidi. nuclidi attualmente noti. È importante osservare che al Nuclidi presenti in natura: crescere della massa il numero 288 nuclidi primordiali di cui dei neutroni nei nuclidi stabili (quelli indicati in nero) aumenta 254 non radioattivi (90 “assolutamente stabili”) più rapidamente del numero dei protoni. Ricordiamo che 34 radioattivi (alcuni presenti in quantità all’interno del nucleo agiscono estremamente piccola, la maggior parte con una forza attrattiva (la “forza radioattività trascurabile) nucleare forte”), che agisce nello stesso modo su protoni e 51 nuclidi radioattivi non primordiali (provenienti dal neutroni, e una forza repulsiva decadimento di nuclidi primordiali o prodotti da altri (elettrostatica) che agisce sui meccanismi) protoni. Se il numero dei protoni è elevato la stabilità del nucleo Nuclidi sintetici: si raggiunge solo in presenza di circa 3000, di cui 563 con emivita > 1 h un numero maggiore di neutroni. Tipi di decadimento radioattivo La regione iniziale. della carta dei nuclidi. Esistono numerose modalità di decadimento radioattivo. Nel presente Sono rappresentati tutti i contesto ci interessano i decadimenti alfa e beta. nuclidi stabili e due nuclidi Nel decadimento alfa, caratteristico dei nuclidi più pesanti, si ha emissione radioattivi particolarmente di un nucleo di elio-4 (particella alfa). “interessanti”, il trizio (idrogeno-3) e il carbonio-14. Esempi: 238 234 4 92UTh→+ 90 2He Tali nuclidi sono presenti in natura in quanto vengono 232Th→+ 228 Ra 4He prodotti nell’alta atmosfera 90 88 2 ad opera della radiazione cosmica (“nuclidi Le particelle alfa emesse hanno tipicamente energie di 5 MeV (velocità cosmogenici”). 15 000 km/s). Non sono rappresentati un Nel decadimento beta si ha emissione di un elettrone e di un antineutrino. gran numero di nuclidi 234 234 − radioattivi sintetici, tutti Esempi: 90Th→++ 91 Pa e νe con vita breve o brevissima. 137 137 - 55Cs→++ 56 Ba e νe 3 Rappresentazione dei decadimenti alfa, beta+ e beta- Esiste anche il decadimento beta+, che comporta l’emissione di un sulla carta dei nuclidi positrone (antielettrone) e di un neutrino 22 22 + Esempio: 11Na→ 10 Ne + e + νe I nuclei prodotti dai decadimenti alfa e beta si trovano (normalmente) β+ in uno stato eccitato; la diseccitazione avviene mediante l’emissione di raggi γ (fotoni di energia elevata). Esistono altri tipi di decadimento, meno comuni; fra questi vi sono il β− doppio decadimento beta, l’emissione di protoni o di neutroni e la fissione spontanea. α La “carta dei nuclidi” con I tre tipi di radiazione, α, β e γ, l’indicazione dei tipi di sono caratterizzati da una decadimento radioattivo. capacità di penetrazione molto - il decadimento beta- (o diversa. semplicemente beta) è carat- teristico dei nuclidi che si - i raggi α vengono completa- trovano nella parte alta del mente arrestati da un foglio di grafico (con un numero di carta o da pochi centimetri neutroni in eccesso rispetto ai d’aria nuclidi stabili) - i raggi β vengono arrestati, a - il decadimento beta+ è carat- seconda della loro energia, da teristico dei nuclidi che si un modesto spessore di metallo trovano nella parte bassa (con un numero di neutroni in - i raggi γ vengono attenuati difetto) gradualmente, secondo la legge - il decadimento alfa è carat- di Beer; per ottenere un teristico di nuclidi pesanti assorbimento significativo sono - la fissione spontanea si necessari spessori rilevanti di verifica sono per alcuni nuclidi materiali di densità elevata. molto pesanti. Decadimento radioattivo Unità di misura della radioattività 100 ddNNt=−λ ⋅ ⋅ La radioattività di un dato materiale si misura in becquerel 80 (Bq). 1 Bq corrisponde a 1 disintegrazione al secondo −λt Nt()=⋅ N0 e 60 Una vecchia unità, spesso ancora utilizzata, è il curie (Ci), corrispondente alla radioattività di 1 g di 226Ra 40 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq 20 Ad esempio la radioattività dell’uranio-238 è 12.44 kBq / g = 3.36 x 10-7 Ci / g 0 t circa 3 milioni di volte inferiore a quella del radio. ln (2) tempo di dimezzamento (emivita): t = 1/2 λ dopo 10 tempi di dimezzamento la quantità iniziale si riduce allo 0.1% circa 4 Nuclidi radioattivi primordiali tempo di dimezzamento La vita dell’Universo è stimata in circa 14 miliardi di anni (per l’esattezza, 13.798 ± 0.037) mentre la vita del Sistema miliardi di anni in rapporto alla vita del Sistema Solare Solare è di circa 4.6 miliardi di anni (per l’esattezza, 4.568).
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