Sis a.a. 2005/2006

Laboratorio di fisica nucleare

Prof. Maina

“La fissione nucleare”

Burzio Flavio – Gramaglia Paola

Aspetti didatticiContesto

Classe quinta di un liceo scientifico o scientifico-tecnologico

Prerequisiti

Elettromagnetismo

Relatività: concetto relativistico di massa

Obiettivi

Conoscere le caratteristiche dei nuclei degli atomi e saper

descrivere il processo di fissione

Saper leggere e interpretare i grafici proposti

Conoscere le unità di misura dell’energia e saper confrontare gli

ordini di grandezza

Proprietà dei nuclei

Particella Massa Carica

Protone

Neutrone privo di carica

Elettrone

kg 10672,1 27 C 10602,1 19

kg 10674,1 27

kg 10109,9 31 C 10602,1 19

N numero di neutroni contenuti nel nucleo

Z numero di protoni del nucleo (numero atomico)

A = N + Z numero totale di nucleoni (numero di massa del nucleo)

Relazione tra N e Z

N

Z

per valori piccoli di Z:

N=Z

per valori grandi di Z:

discostamento tra N e Z

Spettrometro di massa

Misurazione della massa dell’atomo

Difetto di massa

Esercizio Massa e difetto di massa calcolate per l’isotopo C12

6

Neutrone Protone + elettrone kg10675,1m 27

n kg10673,1mm 27

Hep

Massa attesa per l’atomo di :C126 kg10088,20m6m6 27

Hn

Massa del trovata con lo spettrometro di massa: C126

kg10920,19m 27rospettromet

Difetto di massa totale del : C126mΔ kg1017,0m 27

Difetto di massa medio per ogni nucleone:A/m kg10014,012

m 27

Energia di legame

rospettrometnH mmNmZmΔ Difetto di massa:

Energia di legame al nucleone: 2L cA/mΔE

MeV 1025,6eV 1025,6eV 106,1

1J 1 1218

19

Unità di misura, fattore di conversione da Joule ad elettronvolt:

EsercizioEnergia di legame totale e al nucleone per il carbonio C12

6

Energia di legame totale:

MeV 96J 101,53J 1091017,0cmΔE 1116272Tot

Energia di legame media per nucleone: MeV 812

EE Tot

L

Dipendenza tra l’energia di legame e il numero di massa

Rappresentazione intuitiva dell’energia di legame

H21

Li73

Fissione nucleare

La fissione è il processo consistente nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri

I nuclei pesanti, , sono soggetti a fissione spontanea: si scindono in due nuclei anche se sono lasciati a se stessi in assenza di perturbazioni esterne

Alcuni nuclei pesanti, in particolare l’uranio e il plutonio, possono venire indotti a subire la fissione dalla cattura di un neutrone

92Z

Fissione dell’uranio

Modello a goccia

Assorbimento di un neutrone da parte di U235

Stato eccitato dell’ U236

Oscillazione instabile dell’ U236

Scissione in due nuclei di massa intermedia ed emissione di alcuni neutroni

U235

U236

U236

Fissione dell’uranio

Nucleo bersaglio Energia critica Energia di eccitazione

5,3 MeV 6,4 MeV

5,9 MeV 5,2 MeV

U235

U238

EsercizioEnergia di eccitazione del nucleo di quando cattura un neutrone U235

Massa totale del nucleo di + neutrone: U235 kg 10848,391m 271

Massa del nucleo di , non eccitato: U236 kg 10836,391m 272

Differenza di massa: kg10012,0mm 2721

Corrispondente eccesso di energia: MeV 4,6cmm 221

Frammenti di fissione dell’uranio

Un nucleo che subisce la fissione può scindersi in molti modi diversi in due frammenti di masse intermedie ed è maggiormente probabile che i due frammenti, originati dalla scissione di , siano di masse disuguali

Tipica reazione di fissione dell’uranio

n3KrBa Un 92141235

Secondo la particolare reazione, possono venire emessi 1, 2 o 3 neutroni

Il numero medio di neutroni emessi nella fissione di è circa 2,5

Energia prodotta nella fissioneEsercizioEnergia termica che si sviluppa durante il processo di fissione

u915,1mm143m92)U(m rospettrometnH235

Energia di legame totale dell’uranio: MeV 1783cUm 2235

u261,1mm85m56)Ba(m rospettrometnH141 Difetto di massa del bario :

Difetto di massa dell’uranio:

Energia di legame totale del bario: MeV 1175cBam 2141

Difetto di massa del cripto : u875,0mm56m36)Kr(m rospettrometnH92

Energia di legame totale del cripto : MeV 815cKrm 292

Energia totale prodotta nella fissione: MeV 207MeV )17838151175(

Confronto energetico

In generale l’energia liberata in una fissione è di circa 200 MeV

Energia liberata dalla fissione di 1 g di uranio: MeV 103,2 kWh10 234

Energia liberata nella combustione di 1 g di carbonio: MeV102 kWh 109 173

L’energia prodotta nella fissione dell’uranio è circa volte maggiore rispetto alla combustione

610