La fisica nucleare è la branca della fisica che studia il nucleo atomico, i suoi costituenti, protoni e neutroni, e le loro interazioni.

Si distingue dalla fisica atomica, di cui è una sottobranca, che studia l'atomo nella sua interezza, e dalla fisica delle particelle, che ha come oggetto lo studio delle singole particelle libere.

La più comune applicazione della fisica nucleare è la produzione di energia nucleare, ma è anche alla base di molte altre importanti applicazioni, ad esempio in medicina (medicina nucleare, risonanza magnetica nucleare), scienza dei materiali (impiantazione ionica), archeologia (radiodatazione al carbonio).

Sottobranche La fisica nucleare è principalmente divisa in fisica delle proprietà statiche del nucleo, 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 ecc.) e fisica delle proprietà dinamiche del nucleo, 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 il generatore di Van de Graaff, i linac, i tokamak, i betatroni o i sincrotroni) per studiare le reazioni nucleari o per ricreare le condizioni del plasma stellare.

Storia del modello atomico

La storia dell'atomo ha origini antichissime, già nell'antica Grecia, Democrito (Ipotesi atomica di Democrito) parlava di atomi, come di particelle indivisibili che compongono la materia. Nel XIX secolo vennero scritte le prime teorie riguardanti l'atomo sulla base dei pochi dati sperimentali di allora.

John Dalton formulò la prima teoria atomica: La materia non è continua, ma è composta da particelle che non possono essere ulteriormente divisibili né trasformabili, gli atomi; Gli atomi di un particolare elemento sono tutti uguali tra loro e hanno la stessa massa; Gli atomi di elementi diversi hanno massa e proprietà differenti; Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non tra frazioni di essi; In una reazione chimica tra due o più elementi gli atomi, pur conservando la propria identità, si combinano secondo rapporti definiti dando luogo a composti.

Nel 1897 Joseph John Thomson ipotizzò che l'atomo fosse una sfera omogenea composta da particelle più piccole cariche positivamente e di elettroni senza che però avessero una precisa disposizione nello spazio.

Ernest Rutherford ipotizzò che la massa e la carica elettrica positiva fossero concentrate in una parte molto piccola dell'atomo chiamata nucleo, e che gli elettroni si trovassero nella zona periferica, a grande distanza dal nucleo. Riuscì a dimostrare ciò bombardando una lamina d'oro con particelle alfa (elio) che venivano emesse da polonio radioattivo (scattering Rutherford). Se la teoria di J.J. Thomson fosse stata valida le particelle alfa si sarebbero sempre comportate allo stesso modo, invece alcune particelle superavano la lamina, altre venivano deviate. Rutherford ipotizzò che le particelle deviate dovevano passare vicino al nucleo carico positivamente, mentre quelle che superavano la lamina passavano nello spazio tra il nucleo e gli elettroni. Riuscì a valutare l'angolo di deviazione predisponendo dei riflettori in solfuro di zinco sensibili alle particelle alfa.

Nel 1913 il modello di Rutherford fu migliorato da quello di Niels Bohr nel quale gli elettroni ruotavano intorno al nucleo su orbite con livelli di energia discreti. L'ultimo modello è quello quantistico, secondo il quale non è possibile sapere dove si trova l'elettrone con precisione, ma solo in via probabilistica secondo la distribuzione su orbitali atomici.

Alcune date Scoperta del nucleo (Rutherford - 1912) Scoperta del protone (Rutherford - 1919) Scoperta del neutrone (Chadwick - 1932)

Modelli nucleari Diversamente dal modello atomico, non esiste un unico modello nucleare capace di spiegare tutte le sue proprietà, esistono però diversi modelli che si completano a vicenda. I motivi sono principalmente due: non esiste un corpo centrale di grande massa che rappresenti il centro di attrazione non si conosce la struttura del potenziale di interazione nucleare

Il modello a goccia

Il modello nucleare a goccia fu ipotizzato nel 1939 da Niels Bohr e John Archibald Wheeler per spiegare la perdita di massa durante una fissione nucleare (difetto di massa). Quando il nucleo viene colpito da un neutrone si produce un assorbimento di questa particella da parte del nucleo stesso e ciò causa un eccesso di energia che determina un moto oscillatorio (come una goccia di liquido che ha assorbito energia meccanica). Il moto oscillatorio causa quindi un allungamento del nucleo finché questo non si rompe (fissione nucleare).

Il modello a guscio (shell)

Il modello a goccia è in grado di spiegare le proprietà del nucleo durante la fissione nucleare, ma non dei singoli nucleoni. Secondo il modello a guscio (shell, o a strati) i nucleoni hanno proprietà simili a quelle degli elettroni intorno al nucleo, ovvero essi si trovano su orbitali dove agiscono forze nucleari attrattive. Quando il numero di neutroni o protoni corrisponde ai cosiddetti "numeri magici" (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) i nuclei sono particolarmente stabili, mentre nucleoni successivamente aggiunti risultano debolmente legati (1-2 MeV). Secondo il modello a strati, all'interno del nucleo i nucleoni si riuniscono in coppie del tipo n-n e p-p.

Il modello collettivo Anche il modello a guscio non è del tutto soddisfacente e deve essere integrato con il modello a goccia. Da questa integrazione nasce il modello collettivo, che però lascia ancora insoluti molti problemi sulla natura del nucleo

Le forze nucleari Le forze nucleari (o interazioni nucleari) permettono l'esistenza e la trasformazione del nucleo atomico. Le forze nucleari, forza nucleare forte e forza nucleare debole rientrano nel modello standard insieme a interazione elettromagnetica e forza di gravità.

Forza nucleare forte

La forza nucleare forte è quella forza che vincendo l'interazione elettromagnetica permette l'esistenza del nucleo. Il nucleo infatti composto da protoni (carichi positivamente) e neutroni (senza carica) non potrebbe esistere a causa dell'interazione elettromagnetica che tende ad allontanare i protoni. I protoni e i neutroni (chiamati genericamente nucleoni) non sono particelle elementari, ma sono dotate di una struttura interna. I loro componenti, i quark, interagiscono per mezzo dei gluoni a gruppi di tre (barioni), o due (mesoni). L'intensità di questa forza aumenta con l'aumentare della distanza tra quark, come in un elastico.

Tuttavia, la maggior parte delle proprietà dei nuclei e della materia nucleare che si trova all'interno delle stelle compatte, come ad esempio le stelle di neutroni, sono descrivibili in termini di una interazione che ha come gradi di libertà solo i nucleoni. Tale interazione è quindi una interazione efficace, ed è generalmente denominata come interazione nucleare. L'interazione nucleare è caratterizzata da tre parti principali: una, valida a piccole distanze che è fortemente repulsiva, una a distanze intermedie dovuta allo scambio di due o più pioni e a quello di mesoni più pesanti del pione, ed infine una a grandi distanze dovuta allo scambio di un solo pione e chiamata One Pion Exchange Potential (OPEP). Le prime due componenti sono largamente fenomenologiche e non si riesce a tutt'oggi a derivarle partendo direttamente dalla interazione fondamentale esistente tra i quark o più propriamente dal modello standard.

Le forze nucleari sono fortemente dipendenti dallo spin dei nucleoni e dalla natura del nucleone, sia esso un protone o un neutrone. Inoltre hanno dei termini importanti che violano la simmetria rotazionale ed altri che sono non locali. Uno di questi è la forza tensoriale, così chiamata perché ha la struttura di un tensore nelle variabili che caratterizzano la distanza tra due nucleoni. Questa forza è largamente responsabile del legame che tiene uniti i nucleoni per formare un nucleo, e sta alla base di molte proprietà nucleari. Da più di un decennio sappiamo inoltre che l'interazione nucleare deve anche avere forze a tre corpi per poter descrivere le proprietà dei nuclei (il che conferma la sua natura di forza effettiva e non fondamentale).

La repulsione a corte distanze, la forte dipendenza dallo spin, la natura tensoriale delle forze a due corpi, la loro non località e le forze a tre corpi rendono molto complessa la risoluzione della equazione di Schroedinger per i nuclei e per la materia nucleare. Questa è infatti materia di un importante campo di ricerca che si chiama problema nucleare dei molti corpi. Dato il carattere prettamente fenomenologico della interazione nucleare, questa deve essere determinata riproducendo tutti i dati sperimentali di bassa energia che caratterizzano il sistema di due nucleoni e le proprietà dei nuclei. Ciò tuttavia non porta univocamente ad una interazione nucleare. Esistono infatti varie interazioni nucleari che prendono il nome dalle città o dai laboratori in cui sono state derivate (Argonne, Urbana, Parigi, Bonn, ecc.).

Tutte queste interazioni fenomenologiche riproducono molto bene le proprietà del deutone e i dati di scattering nucleone-nucleone fino a circa 400 MeV e abbastanza bene le proprietà di bassa energia dei nuclei leggeri. Sembrano tuttavia non adeguate per descrivere le proprietà della materia nucleare a medie e medio-alte densità, che invocano forze a più di tre corpi e/o delle correzioni relativistiche, per non parlare delle alte densità dove, avvicinandoci alla transizione quark-gluon plasma, un modello di interazione basato sui gradi di libertà nucleonici non è più adeguato.

Forza nucleare debole

L'interazione debole può avvenire tra leptoni e quark (interazioni semileptoniche), tra soli leptoni (interazioni leptoniche) o tra soli quark (interazioni non leptoniche), grazie allo scambio, secondo modello standard della fisica delle particelle, di bosoni vettori molto massivi, detti W± e Z0. Poiché tutti i leptoni sono interessati dagli effetti dell'interazione debole, risulta che essa è la sola forza che interviene sui neutrini negli esperimenti di laboratorio, per i quali la gravità è trascurabile. La forza debole è la responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone o viceversa, con l'emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini.

La forza nucleare debole è responsabile per esempio del decadimento beta:

Nel neutrone iniziale composto di due quark down e un quark up, un quark down emette un bosone W, per interazione della forza nucleare debole, trasformandosi in quark up (quindi il neutrone è diventato un protone). Il bosone W decade in un elettrone e in un antineutrino che si allontanano dal nucleo.

La radioattività

La radioattività, o decadimento dell'atomo, è quel fenomeno per cui atomi instabili perdono materia per diventare stabili (e quindi con una massa più piccola). La radioattività è molto pericolosa per gli esseri viventi perché le particelle rilasciate possono modificare la struttura delle cellule. In medicina le radiazioni vengono usate per curare tumori o per osservare l'interno del corpo umano. Il tempo di decadimento è inversamente proporzionale alla perdita di massa dell'atomo e varia per ogni elemento.