Fisica nucleare e subnucleare

Definizioni:

La fisica nucleare è la branca della fisica che cerca di rispondere alla domanda "Com'è fatto il nucleo degli atomi?".
La fisica delle particelle è la branca della fisica che cerca di rispondere alla domanda "Come sono fatte le particelle più piccole del nucleo atomico?".
La cromodinamica quantistica è il ramo della fisica delle particelle che si occupa dello studio dei quark, le particelle da cui sono formate la maggior parte delle altre particelle.

Fino a qualche anno fa la fisica delle particelle era chiamata "fisica subnucleare", ma oggi questa espressione sta cadendo in disuso. Infatti, tale termine si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, ma oggi la maggior parte delle particelle note sono esterne ad esso.

La fisica nucleare e subnucleare (che insieme si possono dire fisica subatomica) si occupano dello studio delle proprietà statiche e dinamiche degli aggregati di particelle che si trovano al centro degli atomi. Questi aggregati vengono detti nuclei perché sono piccoli, densi, massivi e sono situati al centro dell'atomo. La fisica nucleare propriamente detta si occupa delle proprietà dei nuclei in quanto costituiti da due tipi di particelle, neutroni e protoni, mentre la fisica subnucleare si occupa delle proprietà dei singoli componenti dei nuclei (che sono a loro volta costituiti da quark) e di altre particelle che possono giocare un ruolo importante nella loro interazione (come i mesoni).

= Fisica nucleare =

La Fisica Nucleare é principalmente divisa in Struttura Nucleare, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (come la loro massa, i loro livelli energetici, i decadimenti, etc.) e Reazioni Nucleari, che studiano i processi in cui due o più nuclei interagiscono collidendo in vario modo per formare altri nuclei, magari emettendo altre particelle, frammentandosi, fondendo o semplicemente cambiando il loro stato di moto.

Le due sottodiscipline sono interconnesse, nel senso che le nostre informazioni sulla struttura ci pervengono quasi unicamente dallo studio delle reazioni e dei decadimenti (naturali o artificiali). Le reazioni nucleari che si manifestano in natura sono i decadimenti radioattivi o trasmutazioni e le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle, generando luce, calore e altre radiazioni. In laboratorio si utilizzano acceleratori di particelle (come ad esempio gli acceleratori elettrostatici di Van der Graaf, i Linac, i tokamak, i betatroni o i sincrotroni) per studiare le reazioni nucleari o per ricreare le condizioni del plasma stellare.

Cenni storici

la scoperta del nucleo (1912)
la scoperta del neutrone (1932)
il primo modello atomico funzionante (1935)

La teoria atomica nacque in Grecia ad opera degli "atomisti", in particolare Democrito, il quale ipotizzò per primo che la materia fosse formata da atomi indivisibili. Questa teoria rimase una pura speculazione fino ai tempi moderni.

Il primo modello atomico importante è quello di Thomson nel 1898. Nel 1911 con l'esperimento di Rutherford si introdusse il concetto di nucleo atomico. Studiando la sezione d'urto delle particelle prodotte dal bombardamento con particelle alfa (nuclei di He) di una sottile lamina d'oro, Rutherford scoprì che nell'atomo quasi tutta la massa è concentrata in una porzione molto piccola (il nucleo).

I principali modelli atomici

Modelli e teorie

definizione di modello e di teoria
perché in fisica nucleare si hanno modelli ma non teorie

Il modello a goccia di liquido

Il modello a gusci

Il modello collettivo

Le forze nucleari

le forze fondamentali
forza nucleare forte
forza nucleare debole
confronto tra le forze

La radioattività

concetti generali: il modello didattico "a scatola di scarpe"

Si considerino, per fissare le idee, due scatole di scarpe senza coperchio identiche e incollate fra loro. In una si mettano un po' di palline che chiameremo neutroni, nell'altra un po' di palline che chiameremo protoni. Le prime hanno una massa leggermente maggiore, mentre le seconde possiedono una debole carica elettrica (debole rispetto alla forza nucleare).

Per simulare l'elevata temperatura del nucleo atomico, si agitino le scatole. Può succedere talvolta che una pallina cada fuori e finisca sul pavimento (radioattività alpha), oppure che passi da una scatola all'altra (radioattività beta), o ancora che finisca sul bordo, resti in equilibrio un po' e poi torni in una scatola (radioattività gamma).

Radioattività alpha

Radioattività beta

La radioattività beta si verifica quando il numero di protoni e il numero di neutroni in un nucleo sono molto diversi fra loro. Accade allora che uno o più nucleoni si trasformino in nucleoni dell'altra famiglia per riequilibrare il nucleo. Nel passaggio si deve avere conservazione della carica elettrica, della massa-energia e dello spin (cioè del campo magnetico), pertanto si introducono nuove particelle: l'elettrone e il neutrino. Ecco un esempio tipico di decadimento beta:

$p + e^- \rightarrow n + \nu_e$

conservazione della carica elettrica
> $(+1) +(-1) = 0 + 0$
conservazione dello spin
> ½ + ½ = ½ + ½
conservazione di massa-energia
> $m_p c^2 + (m_e c^2 + E_e) = m_n c^{2} + E_\nu$

Nella reazione inversa si ha l'assorbimento di un neutrino (o meglio, l'emissione di un anti-neutrino) e l'emissione di un elettrone. In entrambi i casi, viene emessa una particella che esce dall'atomo e viene rilevata dagli strumenti, dandoci così informazioni sulla trasformazione avvenuta.

Il neutrino è una particella la cui esistenza è stata postulata nel 1916 da Wolfgang Pauli. Esso è privo di carica elettrica e di carica nucleare forte (infatti sfugge dal nucleo). Ha una massa circa un milione volte inferiore a quella di un elettrone, per cui per molti decenni si è pensato che fosse anche privo di massa come i fotoni.

Il concetto di antiparticella

Radioattività gamma

Reazioni nucleari

Fusione nucleare

Fissione nucleare

dal latino fissire=scindere

= Fisica delle particelle =

Il concetto di bosone e fermione

spin
bosoni: definizioni e alcuni esempi
fermioni: definizione e alcuni esempi

Famiglie di particelle

leptoni: elettrone e neutrini
adroni: nucleoni e iperioni
mesoni

Stranezza S, incanto C, bellezza B e verità T

Bosoni di campo

fotoni (campo elettomagnetico)
gravitoni (campo gravitazionale)
bosoni intermedi (campo nucleare beta)
gluoni (campo cromodinamico)

= Cromodinamica quantistica =

La struttura dei nucleoni; numero quantico di colore

quark u (up), quark d (down)
protone = u u d
neutrone = u d d
i gluoni

La struttura delle altre particelle

quark s (strange), quark c (charm), quark b (bottom), quark t (top)
mesoni: coppie quark-antiquark
barioni: terne di quark
leptoni: controparte dei quark

Fisica nucleare

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