Fisica nucleare. La forza che tiene uniti gli elettroni al nucleo dell'atomo a cui appartengono è la forza elettrica.

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1 Fisica nucleare Gli atomi Già Democrito, nell'antichità, immaginò che la materia fosse composta da piccolissime particelle indivisibili che chiamò atomi. La parola atomo significa infatti che non si può dividere. Solo in epoca moderna si è dimostrata sperimentalmente l'esistenza degli atomi e se ne sono studiate le proprietà, e si è scoperto che non si tratta di una particella indivisibile, ma che è composto da oggetti ancor più piccoli, elettroni, protoni e neutroni. Neutroni e protoni sono particelle piccolissime che, strettamente legate insieme dalle forze nucleari, costituiscono il nucleo atomico. Attorno al nucleo orbitano è presente una nuvola di particelle, cariche negativamente, gli elettroni. I protoni hanno una carica positiva, mentre i neutroni sono elettricamente neutri. La forza che tiene uniti gli elettroni al nucleo dell'atomo a cui appartengono è la forza elettrica. Un atomo è molto piccolo: l'atomo di idrogeno, che è l'atomo più piccolo e più semplice di tutti, è grande circa m = 0, m! Anche gli altri atomi più complessi hanno più o meno le stesse dimensioni. Anche la massa dell'atomo è molto piccola: l'atomo di uranio, che è un atomo molto grosso ha una massa di circa kg, ovvero 0, kg!!!!!!! Il nucleo Il nucleo atomico è composto dai protoni e i neutroni, che stanno insieme per effetto della forza nucleare forte. La massa degli atomi è tutta concentrata nel nucleo (gli elettroni sono leggerissimi al confronto) ma le loro dimensioni sono veramente piccolissime: in nucleo dell'atomo di uranio, che è uno degli atomi più grossi, è grande circa m, 1/10000 volte più piccolo dell'atomo. Questo significa che l'atomo è praticamente tutto vuoto, un nucleo molto piccolo ma pesante nel mezzo, e una nuvola di elettroni leggeri che orbitano attorno a questo. Numero atomico, numero di massa e radioattività I numeri da sapere per comprendere il comportamento di una sostanza sono essenzialmente due: il numero atomico, ovvero il numero di protoni nel nucleo, che si indica con il simbolo Z, e ci dice il valore della carica elettrica di quel nucleo il numero di massa, ovvero la somma del numero di protoni e del numero di neutroni nel nucleo. Il numero di massa si indica con il simbolo A Due atomi che abbiano lo stesso numero atomico, cioè stesso numero di protoni ed elettroni ma numero di neutroni, e quindi numero di massa, diversi, si chiamano isotopi. Sono atomi che hanno le stesse proprietà chimiche ma i comportamenti a livello del nucleo non sono gli stessi. La forza che tiene uniti i protoni e neutroni, la forza nucleare forte, è molto intensa, ma il suo raggio d'azione è molto piccolo. Per questa ragione più aumenta il numero di componenti del nucleo (protoni e neutroni) più questa forza fa fatica a tenere insieme il nucleo stesso. In particolare, quello che conta è soprattutto il numero di protoni, Z. I nuclei che hanno un numero di protoni Z > 83 sono instabili e radioattivi: la forza nucleare non riesce a tenerli uniti per sempre, e questi nuclei dopo un certo tempo decadono, cioè si trasformano, in nuclei più leggeri. Questa trasformazione produce neutroni ed energia. Dispense di Fisica nucleare profegaia.worpress.com 1

2 Fissione nucleare Le reazioni nucleari interessanti per la produzione di energia sono di due tipi: la fissione nucleare e la fusione nucleare. La fissione nucleare è quella che si verifica quando un neutrone colpisce un nucleo di un materiale radioattivo con sufficiente energia. Il nucleo si spezza in due nuclei di elementi più leggeri, vengono espulsi uno o più neutroni e viene prodotta energia. Con la fissione si può innescare un processo a catena. Quello che accade dipende dalla velocità dei neutroni-proiettili, si possono verificare tre casi: 1) i neutroni emessi da una fissione possono diventare a loro volta proiettili per altri nuclei, che si spezzeranno dando luogo a un processo che si alimenta da sé, in cui si ha una rapida produzione di neutroni e una grande liberazione di energia: è la reazione a catena, che si verifica nelle bombe atomiche. Si tratta di un fenomeno non controllato, nel quale tutto il combustibile nucleare contenuto all'interno della bomba subisce il fenomeno della fissione in pochissimo tempo. La quantità di energia prodotta è molto elevata. 2) I neutroni emessi dalla fissione sono sufficienti a bombardare altri nuclei, producendo nuove fissioni, ma il numero di fissioni è stabile nel tempo. È una situazione di equilibrio, un processo controllato, in cui si riesce a produrre una quantità di energia stabile nel tempo. Non c'è alcun processo esplosivo in corso, e questa energia può essere utilizzata in modo utile. È questo il fenomeno che viene sfruttato per la costruzione dei reattori nucleari utilizzati nelle centrali nucleari. 3) I neutroni emessi dalle fissioni sono meno di quelli che si avevano in ingresso: il processo si spegne, e la reazione termina in breve tempo. È quello che accade in un reattore che sia stato messo in stand-by. Due atomi che vengono abitualmente utilizzati per realizzare la fissione, sia nelle centrali nucleari che nelle bombe atomiche, sono l'uranio-235 e il plutonio e 239 sono i numeri di massa dei due atomi: l'uranio-235 ad esempio, che ha come numero atomico Z=92, ha 92 elettroni, 92 protoni e 235 nucleoni, cioè protoni e neutroni. Quindi i neutroni saranno 143. Il plutonio-239 invece ha come numero atomico Z=94, quindi ha 94 elettroni, 94 protoni, 239 nucleoni e, quindi, 145 neutroni. Oltre ad essere radioattivo, il plutonio è anche fortemente tossico sia per ingestione che per inalazione, un potentissimo veleno. L'uranio-235 e il plutonio-239 sono gli elementi utilizzati come combustibile nei reattori delle centrali nucleari attualmente presenti al mondo. La bomba atomica sganciata il 6 agosto 1945 su Hiroshima, chiamata Little boy, era di uranio-235, mentre quella sganciata su Nagasaki tre giorni dopo, Fat man, era di plutonio. Fusione nucleare La fusione nucleare è il processo opposto a quello della fissione: due nuclei si scontrano a grande velocità e si fondono insieme, trasformandosi nel nucleo di un materiale più pesante e producendo energia. Tipica fusione è quella che avviene fra due isotopi dell'idrogeno, il deuterio (isotopo dell'idrogeno contenente nel nucleo un protone ed un neutrone) e il trizio (altro isotopo dell'idrogeno che contiene nel nucleo un protone e due neutroni). A seguito della fusione si ottiene un nucleo di Elio-4 (che contiene 2 protoni e 2 neutroni), un neutrone ed energia. La fusione, che è il processo normale che avviene all'interno delle stelle, ha il vantaggio, rispetto alla fissione, di essere più pulita in quanto non si ha, con la fusione, il problema delle scorie radioattive. Ad esempio nella fusione che abbiamo appena descritto i risultati della fusione sono nuclei di elio-4, assolutamente stabili e non radioattivi. Purtroppo per riuscire ad avvicinare così tanto due nuclei per attivare la fusione ci vuole una grande quantità di energia, e finora si è riusciti a realizzare la fusione sono in laboratorio, in condizioni molto Dispense di Fisica nucleare profegaia.worpress.com 2

3 particolari, e siamo ancora molto lontani dal realizzarla a livello industriale, per costruire centrali nucleari a fusione. La fusione invece è stata utilizzata per costruire armi atomiche, le cosiddette bombe H, che riescono a realizzare le condizioni per la fusione tramite l'esplosione preliminare di una bomba atomica a fissione. La più potente bomba H mai realizzata, la bomba Zar, è stata fatta esplodere dai sovietici sull'isola di Nuova Zemlja, sopra il circolo polare artico, nel Le principali tappe storiche La radioattività fu scoperta casualmente dal fisico Henry Becquerel nel 1896, che si accorse che i sali di uranio emettevano delle radiazioni in grado di impressionare delle lastre fotografiche. Negli stessi anni i coniugi Pierre e Marie Curie fecero molti esperimenti sulle sostanza radioattive, e scoprirono nuovi elementi. Becquerel e i coniugi Curie nel vinsero, nel 1903, il premio Nobel per la fisica per le loro scoperte sulla radioattività. A partire dalle loro scoperte, molti ricercatori si misero a lavorare sul fenomeno della radioattività, e nei primi decenni del '900 si susseguirono ricerche molto importanti nel settore di quella che poi fu chiamata fisica nucleare, sia in termini di esperimenti sia in termini di teorie che cercavano di spiegare quello che accadeva negli esperimenti. Un passo cruciale fu la scoperta del neutrone, che fu fatta nel 1932 ad opera del fisico inglese James Chadwick. Chadwick nel 1935 vinse il premio Nobel per i suoi esperimenti. Perché la scoperta del neutrone è stata così importante? Perché ha permesso di conoscere uno dei componenti del nucleo atomico del quale fino a quel momento non si conosceva l'esistenza, e perché è stato chiaro, fin da subito, che i neutroni giocavano un ruolo essenziale nei fenomeni nucleari: da una parte ogni volta che un atomo radioattivo decade, vengono emessi dei neutroni, dall'altra i neutroni possono essere utilizzati come proiettili per scatenare reazioni nucleari. I fisici di tutto il mondo, in quegli anni, facevano esperimenti ed elaboravano teorie per comprendere meglio la natura di questi fenomeni: ancora tanti tasselli mancavano all'appello per spiegare il puzzle il comportamento della natura. E tanti ne mancano ancora: alcuni fra i principali esperimenti tutt'oggi in corso nel mondo (Fermilab negli U.S.A., LHC al CERN di Ginevra per citarne solo due) hanno lo scopo di comprendere e verificare leggi e comportamenti della materia che ancora non sono chiari! Anche l'italia dette il suo fondamentale contributo: a Roma operò un gruppo di giovani fisici diretto da Enrico Fermi (Nobel nel 1938), passati alla storia come i ragazzi di via Panisperna che fecero molti esperimenti sui nuclei atomici, bombardando i nuclei di atomi radioattivi con neutroni, ed ottenendo come risultato nuovi elementi fino ad allora sconosciuti. I ragazzi di via Panisperna si resero conto che un fattore fondamentale nelle reazioni nucleari è dato dalla velocità dei neutroni con cui vengono bombardati i nuclei. In particolare, se si bombardano i nuclei con neutroni lenti, si riescono ad innescare delle reazioni nucleari stabili. Appena Fermi e i suoi pubblicarono i risultati dei loro lavori, fu subito chiaro a tutta la comunità scientifica internazionale che queste scoperte aprivano la strada alla costruzione di dispositivi in grado di ottenere moltissima energia in tempi molto brevi. Il gruppo di via Panisperna si sciolse nel 1938, perché tutti i suoi membri, a parte uno, si erano trasferiti all'estero. Fermi emigrò negli U.S.A. a causa delle leggi razziali (sua moglie Laura era ebrea). Sempre nel 1938 Otto Hahn e Fritz Strassmann, che lavoravano all'università di Berlino (anche se alle loro ricerche aveva ampiamente collaborato Lise Meitner, costretta a scappare dalla Germania in quanto ebrea), realizzarono la fissione dell'uranio. Per questa sua scoperta Hahn prese, nel 1945, il Nobel per la chimica. Erano gli anni in cui sembrava che la Germania di Hitler fosse imbattibile, e le sue mire espansionistiche si fecero sentire presto: il 1 settembre 1939 la Germania invase la Polonia e scoppiò allora la seconda guerra mondiale, nella quale ben presto furono coinvolte tutte le nazioni europee, gli Stati Uniti (a seguito dell'attacco a Pearl Harbour del 7 dicembre 1941) e il Giappone. La Germania nazista, l'italia fascista e il Giappone erano alleati, le cosiddette potenze dell'asse. Dispense di Fisica nucleare profegaia.worpress.com 3

4 Fra i fisici più abili in campo atomico e nucleare c'erano i tedeschi, e il livello della ricerca scientifica in Germania era estremamente elevato, anche se a seguito delle leggi razziali molti scienziati dovettero andarsene dalla Germania emigrando per lo più negli Stati Uniti (fra questi, il caso più famoso è quello di Albert Einstein, emigrato negli U.S.A. nel 1933). Alla fine degli anni '30 tutti i fisici erano quindi consapevoli del fatto che con le conoscenze che si avevano sulla fisica nel nucleo sarebbe in teoria stato possibile costruire una bomba estremamente potente, basata su tali principi. Il punto era: chi l'avrebbe costruita, ed utilizzata, per primo? Le potenze dell'asse o gli Stati Uniti e i loro alleati? Nell'agosto del 1939 Albert Einstein e Leo Szilard, un altro fisico ungherese emigrato in America per il timore delle leggi razziali, scrissero una lettera all'allora presidente degli Stati Uniti Franklin Delano Roosevelt. La lettera avvisava Roosevelt che la Germania nazista avrebbe potuto condurre ricerche sulla possibilità di usare la fissione nucleare per creare bombe atomiche, e suggeriva che gli Stati Uniti avrebbero dovuto iniziare anche loro stessi a condurre ricerche in tal senso. Anche a seguito della lettera Einstein-Szilard, nel 1939 prese avvio quello che è passato alla storia come Progetto Manhattan, ovvero il programma di ricerca degli Stati Uniti mirato alla costruzione della bomba atomica. Il Direttore scientifico del progetto era il fisico Robert Oppenheimer, mentre la direzione militare fu affidata al generale Leslie Groves. Dal 1942 il progetto Manhattan accelerò i tempi e impegnò sempre più risorse, arrivando ad occupare più di persone! Anche Fermi collaborò al progetto, ed anzi svolse un ruolo cruciale, in quanto la prima pila atomica (cioè il primo reattore nucleare) fu costruito dal suo gruppo nei laboratori del progetto Manhattan presso l'università di Chicago. Il luogo scelto per sviluppare gli esperimenti e i test nucleari fu il Los Alamos National Laboratory nel Nuovo Messico. Per oltre due anni, dal 1943, i laboratori e la cittadini che gli si sviluppò interno non furono segnalati sulle mappe ed erano indicati in codice come Sito Y. Le bombe atomiche sviluppate nell'ambito del progetto Manhattan furono quattro: la prima, chiamata The gadget, era una bomba al plutonio che fu fatta esplodere il 16 luglio del 1945 ad Alamogordo, nel primo test nucleare della storia umana. La seconda, Little boy, era una bomba all'uranio che fu fatta esplodere ad Hiroshima il 6 agosto A Hiroshima morirono istantaneamente per l'esplosione nucleare tra le e le persone e una cifra simile rimase ferita. Un numero elevato di persone morirono nei mesi e negli anni successivi a causa delle radiazioni e molte donne incinte persero i loro figli o diedero alla luce bambini deformi. La terza, Fat man, era una bomba al plutonio come The gadget ed è quella che fu fatta esplodere il 9 agosto 1945 a Nagasaki. Tra le e le persone perirono all'istante per l'esplosione nucleare e si stima che circa furono i feriti. Molte migliaia di persone, inoltre, morirono in seguito per le radiazioni. Pochi furono gli scienziati del progetto Manhattan che si opposero all'effettivo utilizzo delle bombe atomiche alla fine della guerra. Fra questi Leo Szilard, che insieme ad Einstein aveva scritto la lettera al presidente Roosevelt per sollecitare la creazione di un gruppo che lavorasse sulla realizzazione della bomba atomica ma che via via che il progetto andava avanti maturò sempre maggiori dubbi. Le bombe su Hiroshima e Nagasaki furono lanciate quando era ormai certo che gli Stati Uniti e gli alleati avrebbero vinto la guerra. Si è molto discusso sulla necessità di lanciare le bombe atomiche su Hiroshima e Nagasaki. Certo è che i costi umani e sociali delle bombe sono stati terribili: alle persone morte subito per le esplosioni nucleari (più di , fra Hiroshima e Nagasaki) vanno aggiunti tutti quelli che perirono in seguito, per patologie correlate, parecchie centinaia di migliaia. E anche i sopravvissuti dell'atomica, i cosiddetti Hibakusha, hanno vissuto vite dolorosissime fra immani sofferenze fisiche e psicologiche, a seguito dell'emarginazione che hanno dovuto subire dalla società negli anni dopo la guerra. Con l'esplosione delle bombe a Hiroshima e Nagasaki inizia la guerra fredda fra Stati Uniti e Unione Sovietica, costruita su principio della deterrenza: entrambi i paesi possedevano (e possiedono!) una tale quantità di armamenti nucleari da essere in grado di distruggere completamente l'avversario e la vita sulla terra. È il principio della Distruzione Mutua Assicurata, o MAD, sul quale si sono basate le strategie politiche di cinquant'anni di storia mondiale. Dispense di Fisica nucleare profegaia.worpress.com 4

5 Dopo la fine della guerra c'è stato anche chi ha avuto posizioni contrarie e grossa contrarietà all'andamento che aveva preso la politica internazionale. Fra questi anche molti scienziati, fra cui alcuni che avevano inizialmente aderito al progetto Manhattan, come Szilard, o che comunque avevano caldeggiato li sviluppo di armamenti nucleari da parte degli U.S.A., come Einstein. Nel 1955, in piena guerra fredda, il filosofo inglese Bertrand Russell e Albert Einstein scrissero una lettera, nota oggi come Manifesto Russell-Einstein, per sottolineare i pericoli di una politica basata sulla proliferazione delle armi atomiche e per invitare gli scienziati di tutto il mondo a una conferenza per cercare soluzioni a questo terribile problema. La lettera fu sottoscritta, oltre che da Einstein e Russell, da altri 9 scienziati di importanza mondiale (10 su 11 dei firmatari ricevettero il premio Nobel!) Nel 1957 si tenne a Pugwash, un paesino del Canada, la prima Conferenza per la Scienza e gli Interessi del mondo. L'organizzazione Pugwash ha avuto il premio Nobel per la pace nel 1995, per il suo impegno per diminuire gli armamenti nucleari nel mondo. A tutt'oggi sono otto le nazioni (il cosiddetto club nucleare) che hanno ufficialmente armamenti nucleari: gli U.S.A., la Russia, la Francia, la Gran Bretagna, l'india, la Cina, il Pakistan, la Corea del Nord. C'è poi Israele che non ha mai dichiarato di possedere ufficialmente la bomba atomica ma sul quale ci sono forti dubbi. Nel 2010 si contavano circa testate atomiche nel mondo, delle quali in Russia, 9500 negli U.S.A., e le altre divise fra gli altri paesi del club nucleare. Sono numeri impressionanti, ma in diminuzione: nel 1970 l'arsenale atomico mondiale ammontava a testate, e il massimo è stato raggiunto nel 1986, con quasi ordigni nucleari. La diminuzione del numero di armi atomiche è dovuta al Trattato di non proliferazione nucleare, sottoscritto dai primi paesi nel 1968 ed entrato in vigore nel Il trattato impone ai paesi che non abbiano già armamenti nucleari di non fare niente per procurarseli, e ai paesi che invece siano in possesso di armamenti nucleari di non fornire queste tecnologie ai paesi non nucleari. Il Trattato impone anche alle nazioni aderenti che abbiano armamenti nucleari la progressiva riduzione degli armamenti posseduti. Dispense di Fisica nucleare profegaia.worpress.com 5