Che cos’e’ la fisica nucleare?

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Che cos’e’ la fisica nucleare?

Scritto da: Antonella Ravizza

Scienza e Fisica Quantistica

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Che cos’è la fisica nucleare?

La fisica nucleare è quella parte della fisica che studia il nucleo dellatomo e tutti i suoi
componenti e si differenza sia dalla fisica atomica, che studia tutto latomo 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 dellatomo però non è uno studio moderno come potrebbe sembrare, al contrario ha origini
antichissime: già nellantica 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 latomo, carico positivamente, avesse al suo interno elettroni carichi negativamente, disposti come luvetta nel panettone.

E. Rutherford in seguito ipotizzò che la massa e la carica elettrica positiva fossero concentrate
nel nucleo dellatomo, molto piccolo, mentre gli elettroni fossero posizionati in una zona
periferica rispetto al nucleo. Riuscì a dimostrare tutto questo bombardando una lamina doro 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 lipotesi 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, lultimo modello, secondo il quale non è possibile conoscere con precisione dove si
trova lelettrone, ma è possibile stabilire con una certa probabilità dove lelettrone 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 allinterazione 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 dellatomo. Nel primo
caso le particelle mediatrici sono i gluoni, nel secondo i pioni. Linterazione 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 lemissione 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 dellimpianto che produce calore si chiama reattore, nel quale si svolge la
fissione dellUranio. LUranio 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 dellenergia 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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