Particella alfa - Il nucleo dell'atomo di elio, contenente due protoni e due neutroni. È un nucleo altamente stabile ed è emesso intero da molti nuclei più pesanti in un processo noto come decadimento alfa. Le particelle alfa erano note prima che si capisse che erano composte da protoni e neutroni. Sono anche atomi di elio doppiamente ionizzati, ovvero atomi di elio con entrambi gli elettroni rimossi.

Antimateria - materia composta interamente da antiparticelle.

Antiparticella - un tipo di particella subatomica che è come l'immagine speculare della particella originale, in quanto molte delle sue proprietà fondamentali sono invertite. Ad esempio, l'antiprotone ha la stessa massa del protone ma è carico negativamente. Quando le particelle e le corrispondenti antiparticelle si incontrano, si annichiliscono reciprocamente in un'esplosione di energia. Allo stesso modo, una coppia particella-antiparticella può essere creata da pura energia. L'anti-elettrone è noto come positrone e ha carica positiva con la stessa intensità della carica negativa dell'elettrone.

Unità di massa atomica (uma) - l'unità convenzionale per esprimere la massa dei nuclei. È un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio neutro, ¹²C. La massa di un nucleo in uma è approssimativamente uguale al numero di massa del nucleo.

Numero atomico - simbolo Z, il numero di protoni in un nucleo. È anche il numero totale di elettroni in un atomo neutro, poiché, affinché le cariche si bilancino, il numero di elettroni fuori dal nucleo deve essere uguale al numero di protoni nel nucleo.

Barioni - Adroni composti da tre quark. I barioni più leggeri sono i protoni e i neutroni. Adroni più pesanti, come la particella delta, sono instabili. I barioni e i mesoni (che contengono solo un quark e un antiquark) costituiscono i due tipi di adroni.

Decadimento beta - il processo, governato dalla forza nucleare debole, mediante il quale protoni e neutroni possono trasformarsi l'uno nell'altro. Quando un neutrone decade per beta, vengono rilasciati un elettrone e un antineutrino. Un neutrone libero può decadere per beta perché la sua massa supera la somma delle masse del protone e dell'elettrone. Un protone può decadere per beta solo all'interno di un nucleo con energia in eccesso e diventa un positrone più un neutrino; questo accade nei nuclei con eccesso di protoni.

Raggio beta - il vecchio nome dato agli elettroni, o positroni, emessi dai nuclei nel processo di decadimento beta.

Nucleo Borromeo - Un particolare tipo di nucleo instabile che si comporta come se fosse composto da tre parti distinte; la maggior parte del nucleo costituisce il nucleo centrale, mentre due nucleoni (di solito neutroni) "galleggiano" all'esterno. Questi tre costituenti (nucleo centrale più due nucleoni) sono tenuti insieme molto debolmente dalla forza nucleare forte in modo tale che se uno di essi viene rimosso, la forza tra i due rimanenti è troppo debole per tenerli insieme e anch'essi si separano. Questo comportamento è unico in natura. Il termine Borromeo deriva dal campo della matematica noto come teoria dei nodi, in cui gli anelli borromei sono intrecciati in modo tale che ciascuno tiene insieme gli altri due. Esempi di nuclei Borromei sono ⁶He, ¹¹Li e ¹⁴Be, che sono tutti anche nuclei alone.

Camera a bolle - un dispositivo per rivelare i percorsi di particelle cariche (altamente ionizzanti) mentre attraversano un liquido 'supersaturo'. A volte un liquido, come l'idrogeno liquido, può essere riscaldato oltre il suo punto di ebollizione se è molto puro. Tuttavia, una particella carica che attraversa tale liquido 'supersaturo' lascerà una serie di bolle nei punti in cui la particella ha ionizzato il liquido.

Reazione a catena - quando un nucleo di uranio viene indotto a subire la fissione per l'assorbimento di un neutrone, esso stesso rilascerà alcuni neutroni. Questi possono quindi, a loro volta, indurre altri nuclei a subire la fissione, e così via, in un volume significativo di uranio. Questa è una reazione a catena neutronica.

Camera a nebbia - un dispositivo per rivelare i percorsi di particelle cariche (altamente ionizzanti) mentre attraversano vapore acqueo 'saturo'. Esiste un limite alla quantità di vapore acqueo che l'aria può contenere, ma quel limite può talvolta essere superato. Tuttavia, una particella carica che attraversa tale vapore 'saturo' lascerà una serie di goccioline nei punti in cui la particella ha ionizzato il vapore.

Ciclotrone - un acceleratore per particelle cariche in cui le particelle sono mantenute in un'orbita a spirale in una camera a vuoto da un campo magnetico e ricevono una serie di spinte da un campo elettrico.

Particella delta - una relazione del nucleone, questa particella può essere pensata come uno stato eccitato del nucleone con una massa leggermente maggiore.

Diffrazione - La proprietà di tutte le onde per cui si diffondono quando incontrano un ostacolo. La quantità di diffusione dipende dalla frequenza dell'onda e dalla dimensione dell'oggetto.

Linee di gocciolamento - questi sono i limiti su un grafico di Segré oltre i quali i nuclei non esistono. Così chiamati perché è come se i nucleoni inseriti in tale nucleo gocciolassero fuori immediatamente.

Radiazione elettromagnetica - qualsiasi radiazione costituita da campi elettrici e magnetici autosostenitisi. Tutta la radiazione elettromagnetica viaggia nel vuoto con la stessa velocità: la velocità della luce. Luce, onde radio, ultravioletti, raggi gamma e raggi infrarossi sono fondamentalmente gli stessi, differendo solo in frequenza e lunghezza d'onda. Tutti i loro diversi effetti sulla materia derivano dalla differenza di frequenza e quindi dalla differenza di energia dei fotoni.

Elettrone - La prima particella elementare ad essere scoperta. Appartiene alla classe di particelle note come leptoni. Gli elettroni sono particelle molto leggere a carica negativa e sono i costituenti degli atomi al di fuori del nucleo. Gli elettroni hanno una massa di 9x10-31 kg, circa un duemillesimo della massa dell'atomo più leggero, l'atomo di idrogeno. Hanno dimensione zero e quindi sono considerati 'particelle puntiformi'. Sono il vettore dell'elettricità nei metalli.

Cattura elettronica - Il processo in cui un elettrone viene assorbito da un nucleo, dove si combina con un protone per formare un neutrone e un neutrino.

Livelli energetici - I valori discreti (quantizzati) ammessi di energia che un nucleo può avere. Ogni tipo di nucleo ha uno schema unico di livelli energetici. Anche gli atomi e le molecole hanno schemi unici di livelli energetici.

Valle dell'energia (nucleare) - Non tutti i nuclei hanno la stessa quantità di energia per nucleone. Se tutti i nuclei sono disposti secondo N e Z, come in un grafico di Segré, e si traccia una linea dalla posizione di ciascun nucleo, proporzionale all'energia per nucleone, le cime di quelle linee formeranno una superficie con l'aspetto di una valle. I nuclei stabili saranno quelli vicini al fondo della valle. I nuclei più in alto nella valle subiranno trasformazioni radioattive, perdendo energia e scivolando lungo i lati della valle.

Stato eccitato - Qualsiasi livello energetico di un nucleo al di sopra del suo stato fondamentale.

Fissione - il processo per cui un nucleo pesante si divide in due nuclei più piccoli all'incirca uguali, rilasciando energia immagazzinata al suo interno. Di solito la fissione avviene dopo che un nucleo è stato stimolato dall'assorbimento di un neutrone, ma esiste anche la fissione spontanea. La fissione è il processo che produce energia nucleare attraverso reazioni a catena controllate.

Frequenza - Il numero di vibrazioni di un sistema oscillante che si verificano in un secondo. Nel caso delle onde, è il numero di creste d'onda che passano davanti a un punto fisso in un secondo. Si misura in Hertz (= cicli al secondo).

Fusione - il processo nucleare per cui due nuclei leggeri possono superare la reciproca repulsione elettrica (di Coulomb) per fondersi insieme. Questo è accompagnato dal rilascio di una grande quantità di energia ed è la fonte di energia nel Sole e nelle altre stelle. Si spera che la fusione possa un giorno essere sfruttata come fonte di energia sulla Terra per l'umanità.

Raggio gamma - un fotone ad alta energia (particella di luce) rilasciato dall'interno dei nuclei atomici quando si trovano in uno stato eccitato instabile. I raggi gamma possono anche essere assorbiti dai nuclei che diventano quindi eccitati.

Gluone - particella senza massa, mai vista isolata fuori dagli adroni, che genera l'attrazione tra i quark all'interno degli adroni, tenendoli insieme.

Stato fondamentale - Il livello energetico più basso di un nucleo (o atomo).

Adroni - Tutte le particelle che interagiscono tramite la forza nucleare forte. Gli adroni sono composti da quark; i protoni e i neutroni sono adroni, come lo sono i mesoni.

Vita media - il tempo dopo il quale metà di una grande raccolta di nuclei radioattivi identici sarà decaduta.

Nucleo alone - Un particolare tipo di nucleo esotico scoperto a metà degli anni '80 che ha molti più neutroni dell'isotopo stabile di quell'elemento. Questo a volte fa sì che uno o due neutroni esterni siano molto debolmente collegati al resto dei nucleoni e trascorrano quindi gran parte del loro tempo ben oltre il raggio della forza nucleare forte che li lega al resto del nucleo. Tali nuclei sono altamente instabili ed esistono solo grazie alle strane regole della meccanica quantistica. Esempi di nuclei alone a un neutrone sono ¹¹Be e ¹⁹C, mentre i nuclei alone a due neutroni tendono ad essere Borromei. Esistono anche nuclei con aloni di protoni (come ⁸B) ma in quel caso la repulsione tra la carica positiva del protone e il resto del nucleo fa sì che non possa allontanarsi troppo altrimenti cade. Quindi gli aloni di protoni tendono ad essere più piccoli degli aloni di neutroni.

Interferenza - Una proprietà delle onde per cui due onde si sovrappongono per produrre uno schema di picchi (quando due creste si incontrano e si combinano) e avvallamenti (quando una cresta incontra un avvallamento e si cancellano). Lo schema di luce e buio che ne risulta ci permette di conoscere le onde e il sistema in cui avviene l'interferenza.

Ione - un atomo, o molecola, che non è più elettricamente neutro, di solito perché uno o più elettroni sono stati eliminati, ma il termine può applicarsi a un atomo con un elettrone in più (ione negativo).

Ionizzare - il processo di rimozione di elettroni dagli atomi o dalle molecole in modo che non siano più elettricamente neutri. I raggi alfa, beta e gamma ionizzano gli atomi della materia con cui interagiscono.

Isobaro - Nuclidi con numeri diversi di protoni e neutroni ma lo stesso numero totale di protoni più neutroni, cioè lo stesso numero di massa atomica.

Isomero - Un nucleo che si trova in uno stato eccitato di lunga durata (chiamato stato isomerico o stato metastabile). Certi nuclei possono rimanere in tali stati eccitati a causa di certe proprietà quantistiche che vietano loro di scendere a un livello energetico inferiore emettendo raggi gamma.

Isotoni - Nuclidi con lo stesso numero di neutroni ma numeri diversi di protoni.

Isotopo - Tutti i nuclidi di un particolare elemento (aventi lo stesso numero di protoni) ma con numeri diversi di neutroni sono noti come isotopi di quell'elemento. Così ¹²C e ¹⁴C sono diversi isotopi del carbonio.

Spostamento isotopico - lo spettro ottico di un atomo dipende quasi interamente dagli elettroni fuori dal nucleo, ma la dimensione del nucleo ha un effetto piccolo ma misurabile. Ciò significa che misurazioni accurate degli spettri ottici degli atomi ci permettono di misurare la dimensione del nucleo. Questo è molto utile per i nuclei che vivono per un tempo troppo breve per effettuare misurazioni basate sulla diffusione di elettroni.

Leptoni - Una delle due classi di particelle elementari in natura. Includono l'elettrone, il muone e la particella tau, insieme ai loro corrispondenti neutrini.

Acceleratore lineare - un acceleratore per particelle cariche in cui le particelle ricevono una serie di spinte lungo una lunga camera a vuoto dritta da campi elettrici oscillanti.

Numero magico - particolari numeri di protoni o neutroni portano a nuclei con maggiore stabilità rispetto ai nuclei vicini. Per i neutroni questi numeri sono 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126. Sono gli stessi per i protoni tranne che nessun nucleo con 126 protoni è noto.

Difetto di massa - la differenza tra la massa di un nucleo e la somma delle masse di tutti i suoi nucleoni quando i nucleoni non sono legati. Si noti che la massa totale a riposo dei prodotti di decadimento è inferiore alla massa a riposo del nucleo che decade; questo è chiamato talvolta decremento di massa.

Numero di massa - simbolo A, il numero totale di protoni e neutroni in un nucleo. A=N+Z, dove N è il numero di neutroni e Z è il numero di protoni.

Mesone - particella subatomica che può essere considerata come il vettore della forza nucleare forte tra i nucleoni nei nuclei. Esistono vari tipi di mesoni e possono essere neutri, positivi o negativi. È ora noto che i mesoni sono, come i nucleoni, a loro volta composti da quark. Ma a differenza dei nucleoni, che sono composti da tre quark, i mesoni contengono un quark e un antiquark.

Neutrino - una particella molto leggera emessa durante il decadimento beta. Il suo nome significa 'piccolo neutro' e fino a poco tempo fa si pensava che non avesse massa (come il fotone). È ora noto che esistono tre tipi di neutrini, insieme alle loro corrispondenti antiparticelle, ma è il più leggero di questi che viene emesso dai nuclei.

Neutrone - L'altro costituente, insieme ai protoni, dei nuclei; ha una massa leggermente superiore al protone ma è elettricamente neutro. I neutroni non possono sopravvivere a lungo fuori dal nucleo e decadono per beta, cioè si trasformano in protoni e antineutrini, dopo circa dieci minuti.

Stella di neutroni - il resto compatto lasciato quando una stella gigante muore in un'esplosione di supernova. Ha all'incirca la stessa densità di un nucleo. Molti esperimenti mirano a capire abbastanza delle proprietà della materia nucleare ad alte pressioni per permetterci di comprendere le stelle di neutroni.

Materia nucleare - in senso lato, la 'sostanza' dei nuclei. È perché la materia nucleare è incomprimibile che la densità di protoni e neutroni al centro dei nuclei è praticamente la stessa per tutti i nuclei tranne i più leggeri. Per la stessa ragione, le stelle di neutroni hanno all'incirca la stessa densità che troviamo al centro dei nuclei.

Nucleone - termine generale per un protone o un neutrone.

Nuclide - Un nucleo con un dato numero di protoni e neutroni. Esistono circa 7000 diversi nuclidi possibili, solo alcune centinaia dei quali sono stabili.

Deformazione oblata - La deformazione di una sfera ottenuta schiacciando due lati insieme. La Terra è leggermente oblata poiché è un po' schiacciata ai poli, rendendo l'equatore leggermente più lungo di quanto sarebbe se la Terra fosse una sfera perfetta.

Fotomoltiplicatore - un rivelatore di fotoni molto sensibile, capace di misurare l'energia in un impulso di luce molto debole. Fa parte di un rivelatore a scintillazione per misurare i raggi gamma. L'impulso di luce è generato come scintillazione.

Fotone - una singola particella di luce. Einstein propose nel 1905 che la luce venisse in pacchetti o quanti di luce, come spiegazione dell'effetto fotoelettrico, per cui la luce può liberare elettroni dalla superficie di un metallo. Insieme al lavoro di Max Planck, questo segnò l'inizio della vecchia teoria quantistica in cui la luce è considerata composta da grumi discreti. In seguito si capì che questi pacchetti di energia luminosa avevano le stesse caratteristiche delle particelle, come apparire in un unico punto nei rivelatori, e divennero noti come fotoni.

Pione - Il mesone più leggero, con massa di poco superiore a un ottavo della massa del nucleone.

Positrone - L'antiparticella dell'elettrone. Ha la stessa massa dell'elettrone ma con carica elettrica opposta (positiva). La radiazione beta dai nuclei consiste in elettroni o positroni insieme ai neutrini (quasi) non rilevabili.

Deformazione prolata - La deformazione di una sfera nella forma di un 'pallone da rugby' o di un 'pallone da football americano'. Questo può essere ottenuto con un palloncino, ad esempio, tirando due punti opposti sulla superficie del palloncino.

Protone - Uno dei costituenti dei nuclei e l'unico costituente del nucleo più leggero, l'idrogeno. Ha una carica positiva della stessa intensità della carica negativa di un elettrone, e una massa quasi duemila volte superiore a quella dell'elettrone. Ogni atomo neutro contiene tanti protoni nel suo nucleo quanti sono gli elettroni che orbitano all'esterno.

Meccanica quantistica - L'insieme delle leggi fisiche che governano il comportamento del mondo subatomico. Ha avuto inizio con le idee di Max Planck e Albert Einstein all'inizio del ventesimo secolo ed è stata sviluppata in una teoria matematica completa verso la metà degli anni '20 da Niels Bohr, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg. Altri fisici come Paul Dirac, Max Born e Wolfgang Pauli hanno dato contributi fondamentali. Sebbene la meccanica quantistica sia la teoria più riuscita della scienza, che fonda gran parte della fisica moderna, la chimica, l'elettronica e la scienza dei materiali, le sue previsioni rimangono strane e controintuitive, specialmente quando si incontrano per la prima volta.

Quark - particella componente di protoni, neutroni, mesoni e altri adroni. Non possono esistere isolati, fuori dagli adroni. Il protone è composto da due quark 'up', ciascuno con una carica positiva di intensità 2/3 della carica di un elettrone, e un quark 'down', con una carica negativa di 1/3 della carica di un elettrone; il neutrone ha due quark down e uno up, rendendolo una particella neutra.

Plasma quark-gluone - quando la materia nucleare viene portata ad alta temperatura e sottoposta a enorme pressione, come avviene nelle collisioni ad altissima energia tra nuclei pesanti, i confini tra i nucleoni scompaiono e i quark e i gluoni al loro interno formano una sorta di zuppa. L'Universo è passato brevemente attraverso una fase quark-gluone prima che protoni e neutroni emergessero dopo il Big Bang.

Scintillazione - il lampo di luce quando una particella nucleare o un raggio gamma colpisce certe sostanze.

Contatore a scintillazione - un rivelatore di particelle in cui la luce delle scintillazioni viene rilevata e misurata con fotomoltiplicatori.

Grafico di Segré - un grafico dei nuclei disposti (di solito) con il numero di protoni sull'asse verticale e il numero di neutroni sull'asse orizzontale. In generale, il quadrato su questo grafico che corrisponde a particolari valori di N e Z indica le proprietà chiave di quel particolare nucleo, come la sua radioattività.

Rivelatore al silicio - i moderni rivelatori di particelle cariche si basano sul fatto che tali particelle generano segnali elettrici quando le attraversano o vengono assorbite. Tali rivelatori consentono di misurare accuratamente le energie e le direzioni delle particelle prodotte nelle reazioni nucleari.

Spallazione - quando un protone ad altissima energia o un altro proiettile colpisce un nucleo, è probabile che si frantumi, producendo una serie di nuclei più leggeri. Si ritiene che nuclei come ⁶Li siano stati prodotti in reazioni di spallazione nello spazio interstellare.

Spettrometro - uno strumento che separa la radiazione nelle sue diverse lunghezze d'onda (o frequenze). Poiché ogni nucleo o ogni diverso atomo irradia diversi insiemi di lunghezze d'onda, uno spettrometro ci permette di identificare quali atomi o nuclei sono presenti in un campione. Inoltre, il particolare schema di lunghezze d'onda fornisce informazioni vitali sull'atomo o il nucleo da cui è stata irradiata.

Spettro - Una rappresentazione che mostra come l'intensità (o la luminosità) della radiazione elettromagnetica da una data sorgente dipende dalla sua lunghezza d'onda. Si riferisce anche alla banda di colori che vediamo quando la luce o altra radiazione è separata in base alla frequenza (o lunghezza d'onda); l'esempio più familiare è lo spettro arcobaleno della luce visibile.

Fissione spontanea - Il processo per cui un nucleo pesante con eccesso di neutroni si divide approssimativamente a metà in due nuclei più leggeri. Tale processo è un tipo di decadimento radioattivo e avviene senza che il nucleo abbia bisogno di assorbire neutroni aggiuntivi per indurlo alla fissione, come sarebbe necessario in un reattore nucleare.

Nuclei super-pesanti - nuclei con Z nella regione di 110 o superiore.

Supernova, tipo Ia e tipo II - Una supernova è l'esplosione catastrofica di una stella in cui emette brevemente tanta radiazione quanta tutte le stelle della sua galassia. Una supernova di tipo Ia avviene quando la materia dalla compagna di una stella nana bianca cade sulla nana bianca finché supera la massa massima che tale stella può avere. Una supernova di tipo II avviene quando il combustibile nucleare in una stella gigante è esaurito. La pressione di radiazione delle reazioni nucleari non può più sostenere la stella, quindi collassa verso l'interno. Poi rimbalza verso l'esterno a causa dell'incomprimibilità della materia nucleare, rilasciando enormi quantità di energia, un diluvio di neutrini e molta materia nello spazio. Molti elementi di cui siamo fatti noi e il sistema solare furono prodotti in esplosioni di supernova miliardi di anni fa.

Sincrotrone - sviluppato dal ciclotrone per energie molto più elevate e con un percorso circolare anziché a spirale. I sincrotroni possono accelerare le particelle cariche a velocità molto vicine a quella della luce.

Teoria della relatività - La teoria speciale di Einstein si basa su due idee: (I) che la velocità della luce nel vuoto è sempre la stessa, indipendentemente da quanto velocemente ci si muove rispetto alla sorgente di luce, e, (II) le leggi della fisica sono le stesse indipendentemente da quanto velocemente si muove il laboratorio a velocità costante. Una conseguenza è che la massa m e l'energia E sono equivalenti, e che E=mc².

Tokamak - un apparato per produrre fusione nucleare sulla Terra. Consiste in una camera a vuoto a forma di toro insieme a grandi magneti per mantenere gli ioni interagenti su percorsi chiusi attraverso il vuoto.

Effetto tunnel (quantistico) - la meccanica quantistica permette alle particelle di apparire dall'altra parte di barriere che, secondo la fisica precedente alla meccanica quantistica, non avrebbero l'energia per superare. Questo 'effetto tunnel quantistico' controlla cose come il decadimento alfa e permette la fusione di nuclei leggeri nelle stelle, permettendo a stelle come il Sole di brillare per miliardi di anni.

Principio di indeterminazione - Una delle idee fondamentali della teoria quantistica, espresso per la prima volta dal fisico tedesco Werner Heisenberg, che afferma che per qualsiasi oggetto certe coppie di proprietà, come posizione e quantità di moto, non possono essere conosciute con precisione allo stesso tempo. Tuttavia, questa caratteristica non è il risultato dell'inevitabile 'goffaggine' del nostro apparato di misura quando si tratta di oggetti subatomici, ma è piuttosto intrinseca negli oggetti stessi.

Dualità onda-corpuscolo - Il concetto quantistico per cui sia la materia che la radiazione devono essere considerate al loro livello più fondamentale come aventi talvolta proprietà ondulatorie e talvolta proprietà corpuscolari. Ad esempio, gli elettroni e i fotoni si comportano a volte come particelle e a volte come onde.

Lunghezza d'onda - La distanza tra due creste (o avvallamenti) consecutive di un'onda ed è inversamente proporzionale alla frequenza dell'onda. Per la radiazione elettromagnetica, la lunghezza d'onda è uguale alla velocità della luce divisa per la frequenza.

Raggi X - Una forma di radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda più corte degli ultravioletti ma più lunghe dei raggi gamma. Poiché la lunghezza d'onda della radiazione è correlata all'energia, ciò significa che i fotoni di raggi X sono meno energetici dei fotoni di raggi gamma. Tuttavia, non esiste una linea di demarcazione netta tra i due. I raggi X hanno lunghezze d'onda comprese tra circa 10 nanometri e 10 picometri.