Che cos'e' la fisica nucleare?
Scritto da: Antonella Ravizza
Scienza e Fisica Quantistica
Che cos'è la fisica nucleare?
La fisica nucleare è quella parte della fisica che studia
il nucleo dell’atomo e tutti i suoi componenti e si differenza sia dalla fisica
atomica, che studia tutto l’atomo composto dal nucleo e dagli elettroni, sia
dalla fisica delle particelle. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in
disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre
oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.
La fisica nucleare si divide inoltre in fisica della
struttura nucleare, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la
coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (la massa per esempio) e
fisica delle reazioni nucleari, che studia i processi in cui due o più nuclei
interagiscono per formare altri nuclei, o emettendo altre particelle, o
frammentandosi, o fondendo.
Le informazioni che abbiamo oggi sulla struttura atomica
sono state ricavate soprattutto dallo studio delle reazioni e dei decadimenti,
che possono essere naturali o artificiali. Le reazioni nucleari che possiamo
trovare in natura sono: i decadimenti radioattivi e le reazioni che avvengono
nelle stelle e che generano calore, luce e pure altre forme di radiazioni. In
laboratorio, invece, le reazioni nucleari sono studiate per mezzo di
acceleratori di particelle, che a volte ricreano le condizioni del plasma
stellare.
Lo studio dell’atomo però non è uno studio moderno come
potrebbe sembrare, al contrario ha origini antichissime: già nell’antica Grecia
Democrito parlava degli atomi, individuandoli come particelle indivisibili che
compongono la materia. Nel XIX secolo furono scritte le prime teorie sugli
atomi e John Dalton scrisse la prima teoria in cui stabilì che la materia è
composta da atomi, gli atomi degli stessi elementi sono tutti uguali mentre gli
atomi di elementi diversi sono diversi perché hanno masse diverse e le reazioni
chimiche avvengono tra atomi interi. Verso la fine del 1800 J. J. Thomson
ipotizzò che l’atomo, carico positivamente, avesse al suo interno elettroni
carichi negativamente, disposti come l’uvetta nel panettone.
E. Rutherford in seguito ipotizzò che la massa e la
carica elettrica positiva fossero concentrate nel nucleo dell’atomo, molto
piccolo, mentre gli elettroni fossero posizionati in una zona periferica
rispetto al nucleo. Riuscì a dimostrare tutto questo bombardando una lamina
d’oro con delle particelle alfa di elio. Dimostrò che la teoria di Thomson non
era valida, perché le particelle alfa non si comportavano sempre allo stesso
modo, ma alcune superavano la lamina mentre altre venivano deviate. Secondo
l’ipotesi di Rutherford le particelle deviate passavano vicino al nucleo carico
positivamente, mentre quelle che superavano la lamina passavano nello spazio
tra il nucleo e gli elettroni.
Nel 1913 Bohr migliorò il modello di Rutherford,
sostenendo che gli elettroni ruotavano intorno al nucleo cambiando orbita a
seconda che ricevessero o perdessero energia. Si giunse poi al modello
quantistico, l’ultimo modello, secondo il quale non è possibile conoscere con
precisione dove si trova l’elettrone, ma è possibile stabilire con una certa
probabilità dove l’elettrone andrà. Il nucleo atomico esiste e si trasforma
grazie alle forze o interazioni nucleari. Le forze nucleari sono la forza
nucleare forte e la forza nucleare debole, che rientrano nel modello standard
insieme all’interazione elettromagnetica e alla forza di gravità.
La forza nucleare forte può essere osservata in scala più
piccola tra i quark per formare i protoni e i neutroni e in scala più grande
fra protoni e neutroni a formare il nucleo dell’atomo. Nel primo caso le
particelle mediatrici sono i gluoni, nel secondo i pioni. L’interazione debole
è la forza che interviene sui neutrini negli esperimenti di laboratorio per i
quali è trascurabile la forza di gravità.
La forza nucleare debole è responsabile dei decadimenti
radioattivi, per esempio il decadimento beta, per il quale un neutrone si
trasforma in un protone con l’emissione di elettroni (radiazione beta) e di
neutrini.
La fisica nucleare vede le principali applicazioni
pratiche nelle centrali elettro-nucleari, che sono impianti che trasformano il
calore prodotto da una particolare reazione nucleare (la fissione) in
elettricità. La parte dell’impianto che produce calore si chiama reattore, nel
quale si svolge la fissione dell’Uranio. L’Uranio ha la caratteristica di
essere instabile, quindi se un neutrone colpisce il nucleo di Uranio, questo si
divide in due frammenti di massa complessiva leggermente più piccola di quella
iniziale e la massa scomparsa si trasforma in energia. Questa energia è in
piccole quantità, ma la scissione del nucleo produce anche altri neutroni che
si muovono velocemente e che scindono altri nuclei di Uranio…., così la
reazione a catena produce istantaneamente enormi quantità di energia. I rifiuti
radioattivi provenienti da vari usi dell’energia nucleare presentano
caratteristiche diverse e sono problematici dal punto di vista dello
smaltimento. Attualmente i rifiuti radioattivi sono seppelliti in barili contenenti
le scorie a grande profondità in formazioni geologiche di cui si possa
prevedere la stabilità per molti secoli, ma avere la sicurezza totale è
praticamente impossibile.
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