Fisica nucleare: dispense

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Dispense di fisica nucleare: terminologia, la distribuzione di carica elettrica nel nucleo, regole di selezione per momento angolare e parità, sezione d'urto per le reazioni indotte dai neutroni, decadimenti esotici e fusione controllata (11 pagine formato pdf)

FISICA NUCLEARE: DISPENSE

Introduzione.

Terminologia. Unità e dimensioni. Il raggio del nucleo. La distribuzione di carica elettrica nel nucleo. Introduzione. La fisica nucleare nasce nel 1896 con la scoperta di Becquerel della radioattività; diventa infatti da quel momento
chiaro che lo studio della struttura della materia deve passare ad un livello più profondo di quello raggiunto dalla fisica atomica. Tra il 1940 e il 1960 diventerà poi evidente che esiste un livello ancora più profondo, di cui oggi si occupa quella branca della fisica oramai nota col nome di fisica delle particelle (o fisica delle alte energie).
Sebbene dunque la fisica nucleare non rappresenti più la frontiera più avanzata nell’indagine sulla struttura della materia, tale disciplina fornisce ancora grandi contributi sia legati alla modellizzazione teorica della natura che al campo più squisitamente
applicativo.

Materia: definizione, stati e composizione

ATOMO

Terminologia. Un po’ di terminologia iniziale è quantomeno obbligatoria. Come è noto un atomo è una struttura che può essere indicata con il numero Z, detto numero atomico, che rappresenta il numero di cariche positive presenti nel nucleo o, indifferentemente, il numero di elettroni. La più classica esperienza con la quale si misura il numero atomico Z è l’esperienza di Moseley che sfrutta l’osservazione che l’energia di un determinato tipo di raggi X emessi da un elemento è proporzionale a Z tramite la seguente relazione: EKX ÷ (Z −1)2
dove l’1 che bisogna sottrarre a Z prende il nome di termine di schermo. L’esperienza di Moseley fu una conferma dell’ipotesi di Bohr e fu in seguito utilizzata in maniera inversa per capire, a partire dall’emissione di raggi X, di che tipo di atomo ci si sta occupando. La carica elettrica dell’elettrone controbilancia in maniera perfetta la carica positiva del nucleo, tant’è che da osservazioni sperimentali si ha che, detta ep la carica del singolo protone ed ee la carica del singolo elettrone, si avrà: ep ee e − ≤ 10−18 dove sia:e = 1,6 ⋅10−19C. Storicamente l’atomo fu inizialmente modellizzato da Thompson come una distribuzione uniforme di cariche positive (dette protoni) e negative (dette elettroni). Anche a seguito della scoperta e dell’introduzione del nucleo nel modello atomico, questo era visto come un ammasso di protoni ed elettroni (questi detti, in particolare, elettroni nucleari) che furono introdotti per spiegare la differenza tra il numero atomico Z e il numero di massa A. Si supponeva infatti che in un nucleo atomico potessero essere presenti A protoni e Z-A elettroni nucleari.

La struttura della materia: riassunto

NUCLEO ATOMICO

Nel nucleo atomico, però, non era sperimentalmente accettabile la presenza di elettroni, per diversi motivi:
1. gli elettroni nucleari avrebbero dovuto essere legati ai protoni con una forza di enorme intensità, mai precedentemente rilevata;
2. elettroni confinati in un Δx adeguato per rappresentare un nucleo (∼10-14 m) presenterebbero, per il principio di indeterminazione di Heisenberg, un Δp di circa 20 MeV/c; nessun elettrone espulso da un atomo per decadimento β presenta però energie superiori a 1 MeV;
3. lo spin dei nuclei per i quali A-Z è dispari non torna con i date sperimentali (nel caso del Deuterio, per esempio, che ha A=2 e Z=1, siccome sia i protoni che gli elettroni hanno spin pari ad 1/2, lo spin totale dovrebbe essere pari ad 1/2 o, al più, a 3/2; sperimentalmente però lo spin del deuterio è pari ad 1);
4. nuclei contenenti elettroni nucleari spaiati dovrebbero presentare un momento di dipolo magnetico circa uguale a quello di un singolo elettrone, in realtà i momenti di dipolo magnetico misurati sono migliaia di volte più piccoli.