1 Principi fisici di conversione avanzata (Energetica L.S.) G.Mazzitelli ENEA Prima Lezione.

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Principi fisici di conversione avanzata (Energetica L.S.)

G.Mazzitelli

ENEA

Prima Lezione

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Forze fondamentali

• Forza gravitazionale (Moto dei corpi celesti, meccanica newtoniana)

• Forza elettromagnetica (Equazioni di Maxwell)

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Effetto fotoelettrico

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Effetto fotoelettricoFisica classica

Ecinetica max proporzionale alla intensità della radiazione (I)

L’effetto fotoelettrico è indipendente dalla frequenza

Il primo elettrone dovrebbe essere emesso per t>sec

Esperimento

Ecinetica max è indipendente dalla intensità della radiazione

L’effetto fotoelettrico dipendente dalla frequenza

Il primo elettrone è emesso istantaneamente

La risposta fu proposta da Einstein il quale propose che la luce avesse una natura corpuscolare: i fotoni particelle di massa zero che viaggiano alla velocità della luce ed hanno una energia pari a E=hν

h è la costante di Planck h=6.623x10-34 J .s

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Diffrazione degli elettroni

fotoni

elettroni

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Diffrazione degli elettroni

La spiegazione di questo esperimento è solamente possibile assumendo che le particelle hanno una natura ondulatoria la cui lunghezza d’onda detta di De Broglie

p

h

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Prima Lezione

• I costituenti nucleari• Le dimensione e la forma dei nuclei• Le masse nucleari e le energie di legame• La forza nucleare• Il decadimento radioattivo• Leggi di conservazione nel decadimento radioattivo• Il decadimento alfa• Il decadimento beta• Il decadimento gamma• La radioattività naturale

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Struttura dell’atomo

• Ogni atomo composto da un nucleo centrale che contiene la maggior parte della massa (99,9%) e da una nuvola elettronica intorno al nucleo.

• Il nucleo ha una carica elettrica positiva pari alla carica elettrica negativa degli elettroni per cui il nucleo è neutro.

• Il nucleo è composto da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni.Protoni e neutroni sono chiamati anche nucleoni

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Protoni Neutroni Elettroni

• I protoni hanno carica positiva pari alla carica elementare e=1.6 10-19C e massa pari a

mp=1.673 10-27Kg

• I neutroni sono neutri e hanno massa pari a

mn =1.675 10-27Kg lievemente superiore a quella dei protoni.

• Gli elettroni hanno carica negativa pari alla carica elementare e=1.6 10-19C e massa pari a

me=9.11 10-31Kg

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L’atomo

• Il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni e si indica con Z (numero atomico)

• Il numero Z identifica l’elemento e conseguentemente determina le proprietà chimiche.

• La somma del numero di protoni e neutroni si indica con A (numero di massa)

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L’atomo

• mp/memn/me=1836.15. Come detto la massa è quasi tutta nel nucleo.

• Esistono nuclei con lo stesso Z e diverso A. Si dice che per ogni elemento vi sono diversi isotopi.

• Raggio degli atomi: 0.050.2nm;

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L’atomo

• Nella fisica nucleare è importante conoscere e specificare bene i differenti isotopi per cui un isotopo e identificato dal simbolo chimico X ( da cui si ha Z) e dal numero di massa A , il numero di neutroni sarà allora N=A-Z.

AX• Attenzione il numero di massa A

non identifica la massa del nucleo ma il numero di nucleoni

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Alcuni esempi

•L’idrogeno 1H ha due isotopi il Deuterio (D) 2H e il Trizio (T) 3H

•Quale l’elemento che ha un isotopo con numero di massa A=235 e che contiene nel nucleo 143 neutroni ?

Z=A-N=92 ovverosia l’uranio 235U

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Il nucleo

• La maggior parte dei nuclei hanno una forma quasi sferica con una densità di carica nucleare piuttosto piatta

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9r(fm)

Nuc

lear

den

sity

12C70Ge 209Bi

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Il nucleo

Numero di protoni e neutroni

Volume del nucleocostante= ≈

AπR34

3

A ∞ R3 R=R0A1/3

R0 è determinato sperimentalmente ed è ≈ 1.2 X10-15 m

Raggio dei nuclei: 17fm

La lunghezza 1.0 X10-15 m è 1 femtometer (fm) o 1 fermi

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EsercizioCalcoliamo la densità e la massa risultante di un

nucleo che abbia un ipotetico raggio di 1cm

kgxVm

mkgxAR

Am

R

Am

V

m pp

11

317303

433

4

108

/102

La massa di una sfera di raggio 1 Km della nostra materia !