Nucleare e atomico (fisica): una guida per principianti per studenti

La fisica atomica e nucleare descrivono entrambe la fisica del molto piccolo. Quando lavori con oggetti così piccoli, la tua intuizione basata sulla tua comprensione della meccanica classica spesso fallisce. Questo è il regno della meccanica quantistica, delle forze nucleari a corto raggio, della radiazione elettromagnetica e del modello standard della fisica delle particelle.

La fisica atomica è la branca della fisica che si occupa della struttura dell'atomo, degli stati energetici associati e dell'interazione dell'atomo con particelle e campi. Al contrario, la fisica nucleare si concentra specificamente sugli avvenimenti all'interno del nucleo atomico, che sono descritti in maggior dettaglio nella sezione successiva.

Ci sono diversi elementi di studio nella fisica delle particelle. Innanzitutto è la struttura dell'atomo stesso. Gli atomi sono costituiti da un nucleo strettamente legato, che contiene protoni e neutroni, e da una nuvola di elettroni diffusa.

Dato che il nucleo è solitamente dell'ordine di 10

La ragione per cui gli atomi non sembrano essere per lo più spazio vuoto è che anche tu sei fatto di atomi e tutti gli atomi interagiscono con l'energia elettromagnetica. Anche se la tua mano, che è composta per la maggior parte da atomi di spazio vuoto, preme contro un tavolo, anch'esso composto per la maggior parte da spazio vuoto, non passa attraverso il tavolo a causa delle forze elettromagnetiche tra gli atomi quando entrano contatto.

Tuttavia, il neutrino, una particella che non interagisce con la forza elettromagnetica, è in grado di attraversare la maggior parte del materiale atomico praticamente inosservato. Infatti, 100 trilioni di neutrini passano attraverso il tuo corpo ogni secondo!

Gli atomi sono classificati in base al numero atomico nella tavola periodica. Il numero atomico è il numero di protoni che l'atomo contiene nel suo nucleo. Questo numero definisce l'elemento.

Mentre un dato elemento avrà sempre lo stesso numero di protoni, può contenere un numero diverso di neutroni. I diversi isotopi di un elemento contengono un diverso numero di neutroni. Alcuni isotopi sono più stabili di altri (il che significa meno probabilità di decadere spontaneamente in qualcos'altro), e questa stabilità tipicamente dipende dal numero di neutroni, motivo per cui, per la maggior parte degli elementi, la maggior parte degli atomi tende ad essere di uno specifico isotopo.

Il numero di elettroni che un atomo contiene determina se è ionizzato o carico. Un atomo neutro contiene lo stesso numero di elettroni dei protoni, ma a volte gli atomi possono acquistare o perdere elettroni e caricarsi. La facilità con cui un atomo guadagna o perde elettroni dipende dalla sua struttura orbitale degli elettroni.

L'atomo di idrogeno è l'atomo più semplice, contenente un solo protone nel suo nucleo. I tre isotopi più stabili dell'idrogeno sono il prozio (che non contiene neutroni), il deuterio (che contiene un neutrone) e il trizio (che contiene due neutroni) con il protio che è il più abbondante.

Diversi modelli dell'atomo sono stati proposti nel corso degli anni, portando al modello attuale. I primi lavori furono eseguiti da Ernest Rutherford, Niels Bohr e altri.

Come accennato, gli atomi interagiscono con la forza elettromagnetica. I protoni in un atomo portano carica positiva e gli elettroni portano carica negativa. Gli elettroni nell'atomo possono assorbire la radiazione elettromagnetica e raggiungere di conseguenza uno stato energetico più elevato, oppure emettere radiazioni e passare a uno stato energetico inferiore.

Una proprietà chiave di questo assorbimento ed emissione di radiazioni è che gli atomi assorbono ed emettono radiazioni solo a valori quantizzati molto specifici. E per ogni diverso tipo di atomo, quei valori specifici sono diversi.

Un gas caldo di materiale atomico emetterà radiazioni a lunghezze d'onda molto specifiche. Se la luce proveniente da questo gas viene fatta passare attraverso uno spettroscopio, che diffonde la luce in uno spettro per lunghezza d'onda (come un arcobaleno), appariranno linee di emissione distinte. L'insieme delle linee di emissione provenienti dal gas può essere letto quasi come un codice a barre che ti dice esattamente quali sono gli atomi nel gas.

Allo stesso modo, se uno spettro continuo di luce è incidente su un gas freddo, e la luce che passa attraverso quel gas è allora passato attraverso uno spettroscopio, vedresti uno spettro continuo con lacune scure alle lunghezze d'onda specifiche che il gas assorbito. Questo spettro di assorbimento apparirà come l'inverso dello spettro di emissione, le righe scure appariranno dove c'erano le righe luminose per lo stesso gas. Come tale, può anche essere letto come un codice a barre che ti dice la composizione del gas. Gli astronomi lo usano continuamente per determinare la composizione del materiale nello spazio.

La fisica nucleare si concentra sul nucleo atomico, sulle reazioni nucleari e sull'interazione del nucleo con altre particelle. Esplora il decadimento radioattivo, la fusione nucleare e la fissione nucleare e l'energia di legame, tra gli altri argomenti.

Il nucleo contiene un gruppo strettamente legato di protoni e neutroni. Tuttavia, queste non sono particelle fondamentali. Protoni e neutroni sono fatti di particelle ancora più piccole chiamate smaller quark.

I quark sono particelle con carica frazionaria e nomi un po' stupidi. Sono disponibili in sei cosiddetti gusti: su, giù, sopra, sotto, strano e affascinante. Un neutrone è composto da due quark down e un quark up e un protone è composto da due quark up e un quark down. I quark in ciascun nucleone sono strettamente legati dalla forza nucleare forte.

La forza nucleare forte è mediata da particelle chiamate gluoni. Stai percependo un tema? Gli scienziati si sono divertiti molto a dare un nome a queste particelle! I gluoni, ovviamente, "incollano" i quark insieme. La forza nucleare forte agisce solo a un raggio molto breve, a una distanza paragonabile al diametro del nucleo di dimensioni medie.

Ogni neutrone isolato ha una massa di 1,6749275 × 10^-27 kg, e ogni protone isolato ha una massa di 1,6726219 × 10^-27 kg; tuttavia, quando è legata insieme in un nucleo atomico, la massa atomica non è la somma delle sue parti costituenti a causa di qualcosa chiamato energia di legame.

Diventando strettamente legati, i nucleoni raggiungono uno stato energetico inferiore a causa della conversione in energia di parte della massa totale che avevano come singole particelle. Questa differenza di massa che viene convertita in energia è chiamata energia di legame del nucleo. La relazione che descrive quanta energia corrisponde a una data quantità di massa è la famosa di Einstein E = mc² equazione dove m è la massa, c è la velocità della luce e E è l'energia.

Un concetto correlato è l'energia di legame per nucleone, che è l'energia di legame totale di un nucleo mediata sulle sue parti costituenti. L'energia di legame per nucleone è un buon indicatore di quanto sia stabile un nucleo. Una bassa energia di legame per nucleone indica che potrebbe esistere uno stato più favorevole di energia totale inferiore per questo nucleo particolare, il che significa che probabilmente vorrà dividersi o fondersi con un altro nucleo sotto il proprio condizioni.

In generale, i nuclei più leggeri dei nuclei di ferro tendono a raggiungere stati energetici più bassi e un'energia di legame più elevata per nucleone, fondendosi con altri nuclei, mentre i nuclei più pesanti del ferro tendono a raggiungere stati energetici inferiori rompendosi in più leggeri nuclei. I processi attraverso i quali si verificano questi cambiamenti sono descritti nella sezione successiva.

L'obiettivo principale della fisica nucleare è lo studio della fissione, della fusione e del decadimento dei nuclei atomici. Questi processi sono tutti guidati da una nozione fondamentale che tutte le particelle preferiscono stati di energia inferiore.

La fissione si verifica quando un nucleo pesante si rompe in nuclei più piccoli. I nuclei molto pesanti sono più inclini a farlo perché hanno una minore energia di legame per nucleone. Come ricorderete, ci sono alcune forze che governano ciò che sta accadendo in un nucleo atomico. La forza nucleare forte lega strettamente insieme i nucleoni, ma è una forza a raggio molto corto. Quindi per nuclei molto grandi, è meno efficace.

Anche i protoni caricati positivamente nel nucleo si respingono a vicenda tramite la forza elettromagnetica. Questa repulsione deve essere superata dalla forte forza nucleare e può anche essere mediata dall'avere abbastanza neutroni intorno. Ma più grande è il nucleo, meno favorevole è l'equilibrio delle forze per la stabilità.

Quindi i nuclei più grandi tendono a volersi frantumare tramite processi di decadimento radioattivo o tramite reazioni di fissione come quelle che si verificano nei reattori nucleari o nelle bombe a fissione.

La fusione si verifica quando due nuclei più leggeri raggiungono uno stato energetico più favorevole combinandosi in un nucleo più pesante. Tuttavia, affinché avvenga la fissione, i nuclei in questione devono avvicinarsi abbastanza l'uno all'altro in modo che la forza nucleare forte possa prendere il sopravvento. Ciò significa che devono muoversi abbastanza velocemente da poter superare la repulsione elettrica.

I nuclei si muovono rapidamente a temperature estreme, quindi questa condizione è spesso richiesta. È così che può avvenire la fusione nucleare nel nucleo estremamente caldo del sole. Fino ad oggi, gli scienziati stanno ancora cercando di trovare un modo per far avvenire la fusione fredda, ovvero la fusione a temperature più basse. Poiché l'energia viene rilasciata nel processo di fusione e non lascia scorie radioattive come tendono a fare i reattori a fissione, sarebbe un'incredibile risorsa energetica se realizzata.

Il decadimento radioattivo è un mezzo comune con cui i nuclei subiscono cambiamenti per diventare più stabili. Esistono tre tipi principali di decadimento: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma.

Nel decadimento alfa, un nucleo radioattivo rilascia una particella alfa (un nucleo di elio-4) e di conseguenza diventa più stabile. Il decadimento beta è disponibile in alcune varietà, ma in sostanza risulta da un neutrone che diventa un protone o da un protone che diventa un neutrone e rilascia un β^- o β⁺ particella (un elettrone o un positrone). Il decadimento gamma si verifica quando un nucleo in uno stato eccitato rilascia energia sotto forma di raggi gamma, ma mantiene il suo numero complessivo di neutroni e protoni.

Lo studio della fisica nucleare si estende al campo più ampio della fisica delle particelle, che mira a comprendere il funzionamento di tutte le particelle fondamentali. Il modello standard classifica le particelle in fermioni e bosoni, quindi classifica ulteriormente i fermioni in quark e leptoni e i bosoni in bosoni di gauge e scalari.

I bosoni non obbediscono alle leggi di conservazione del numero, ma i fermioni sì. Esiste anche una legge di conservazione per i numeri di leptoni e quark oltre ad altre quantità conservate. Le interazioni delle particelle fondamentali sono mediate dai bosoni che trasportano energia.

Le applicazioni della fisica nucleare e atomica sono abbondanti. I reattori nucleari nelle centrali nucleari creano energia pulita sfruttando l'energia rilasciata durante i processi di fissione. La medicina nucleare fa uso di isotopi radioattivi per l'imaging. Gli astrofisici usano la spettroscopia per determinare la composizione delle nebulose lontane. La risonanza magnetica consente ai medici di creare immagini dettagliate dell'interno dei loro pazienti. Anche la tecnologia a raggi X fa uso della fisica nucleare.