L'energia di legame del nucleo atomico

Il nucleo atomico è composto da particelle subatomiche dette nucleoni ( protoni e neutroni ) legate tra loro da una forza detta energia di legame o interazione nucleare forte.

Cosa significa interazione nucleare forte

L'energia di legame è molto forte ma ha un raggio di azione molto limitato, pari a 10-15 metri.

E' una forza nettamente più grande della forza repulsiva di Coulomb che, invece, allontana tra loro i nucleoni con la stessa carica elettrica ( protoni ).

Nota. L'energia di legame è qualche milione di volte superiore all'energia che lega un elettrone all'atomo. Pertanto, per estrarre un nucleone dal nucleo ( fissione nucleare ) è necessario impiegare una forza notevolmente più grande a quella necessaria per liberare un elettrone dall'orbita atomica. Ad esempio, un elettrone è legato al nucleo di un atomo di idrogeno da poche decine di elettronvolt ( 13 eV ). Sono invece necessari due milioni di elettronvolt ( 2000 eV = 2,2 MeV ) per legare tra loro i nucleoni nel nucleo.

La curva dell'energia di legame

L'energia di legame non è un valore costante ma varia a seconda del numero dei nucleoni ( massa atomica ) nel nucleo atomico.

Negli atomi leggeri con pochi nucleoni ( es. idrogeno ) l'energia di legame media ( ΔE/A ) liberata per aggiungere un altro nucleone al nucleo è molto alta.

la curva dell'energia di legame

Fusione nucleare. Per questa ragione la fusione nucleare nelle stelle libera energia. La fusione di due nuclei in un nucleo genera un incremento netto molto elevato di energia di legame.

L'energia di legame media cresce col numero dei nucleoni e raggiunge il punto di massimo a una massa atomica pari a 50.

Successivamente, negli atomi più pesanti ( A>50 ), comincia a decrescere.

Fissione nucleare. Per questo motivo negli atomi pesanti è la fissione nucleare a generare energia. Quando un nucleo di un elemento pesante viene frantumato in più nuclei, si riduce il numero di massa di ciascuno di essi e si libera una grande quantità di energia.

Il significato dell'equazione di Einstein

La prima definizione di energia di legame si trova nella teoria della relatività ristretta ( speciale ) formulata da Albert Einstein nel 1905.

Secondo Einstein, l'energia di legame è un collegamento tra la massa (m) e l'energia di un corpo (E). Questa relazione è nota come equazione di Einstein.

E=mc2

L'energia di un corpo è pari al prodotto tra la massa del corpo (m) e il quadrato della velocità della luce nel vuoto (c).

Il difetto di massa

L'equazione di Einstein E=m·c2 spiega il fenomeno della differenza di massa tra i nucleoni isolati e quelli nel nucleo di un atomo.
il difetto di massa nel nucleo atomico

Quando un nucleone isolato entra a far parte del nucleo, trasforma una parte della propria massa ( -Δmnucleone ) in energia di legame ( +ΔE ).

ΔE = ( mnucleoni - mnucleo )·c2

Per questo motivo la massa del nucleo ( mnucleo ) è sempre inferiore alla somma delle masse dei singoli nucleoni isolati ( Σmnucleoni ).

Qual è l'origine della forza nucleare

La natura della forza nucleare è ancora oggetto di studio. Ci sono diverse teorie ma restano insoluti ancora molti aspetti.

Nella comunità scientifica sono emerse due teorie:

  1. Il modello a goccia di liquido
  2. Il modello a guscio ( shell ) o strati

A questi si aggiungono diversi modelli misti e intermedi che cercano di unire le due teorie in un modello unitario.

Il modello a goccia di liquido

Secondo questo modello, i nucleoni sono legati tra loro da una forza simile a quella che lega le molecole d'acqua ( legame a idrogeno ).

Questo modello è stato ipotizzato nel 1939 da Niels Bohr e John Archibald Wheeler per spiegare la perdita di massa degli atomi durante il processo di fissione nucleare ( difetto di massa ).

Il modello a guscio ( shell )

Secondo quest'altro modello, invece, i nucleoni si dispongono nel nucleo su livelli energetici nucleari o strati.

I nucleoni si aggregano nel nucleo seguendo un ordine di riempimento e una configurazione stabile in base ai numeri quantici.

Nota. Il modello trae spunto dalla disposizione degli elettroni nei livelli energetici orbitali intorno a un atomo e applica lo stesso metodo di allocazione ai nucleoni nel nucleo atomico.

Questo modello nasce dall'osservazione degli elementi chimici. Alcune quantità di nucleoni ( cd numeri magici )sembrano essere più stabili di altre.

Esempio. I nuclei con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 nucleoni sono particolarmente stabili. Per questo motivo questi valori sono indicati come numeri magici.

Si ipotizza pertanto che esista una configurazione stabile dei nucleoni.

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  1. La struttura dell'atomo