lunedì 14 settembre 2015

La Fissione Nucleare

Ciao a tutti amanti della fisica!
 In questo articolo spiegheremo come avviene il processo di fissione nucleare, un fenomeno che consente di estrarre una grandissima quantità di energia a partire dalla rottura di un nucleo atomico. Prima di partire col post vero e proprio però vorrei fare una precisazione: spesso l'energia nucleare viene chiamata energia atomica (si parla di bomba atomica, ad esempio). Questo è un errore: quasi tutta l'energia che sfruttiamo ogni giorno è di origine atomica, dato che si basa su transizioni elettroniche che avvengono all'interno dell'atomo. Con energia nucleare intendiamo invece solamente l'energia immagazzinata nel nucleo dell'atomo, molto più difficile da estrarre.
 

 Penso che il modo migliore per comprendere il funzionamento di questo fenomeno sia ripercorrere i passi che hanno portato alla sua scoperta.
Il primo uso del neutrone
 Tutto comincia nel 1932. A quel tempo si era già accettato il modello atomico che prevedeva un nucleo piccolissimo carico positivamente attorno al quale orbita un certo numero di elettroni. Non era chiaro però come mai le particelle positive che componevano il nucleo non si respingessero vicendevolmente. Tale problema fu risolto dopo che Chadwick scoprì l'esistenza di un'altra particella, neutra, all'interno del nucleo, il cui compito era essenzialmente quello di tenere incollate le particelle cariche positivamente. A questa si diede il nome di neutrone. Di ciò comunque si è già parlato qui *(se non avete una chiara idea della struttura del nucleo atomico, vi suggerisco vivamente di leggere l'articolo linkat) .
 Questa scoperta apriva le porte di una ricerca più approfondita della struttura del nucleo poiché permetteva di bombardarlo **(con bombardare si intende sparare una particella contro il nucleo per vedere che succede.) . Difatti, prima del '32, le uniche particelle conosciute da poter sparare contro il nucleo erano i protoni, carichi positivamente. Era chiaro però che questi non avrebbero mai raggiunto il centro dell'atomo a causa dell'insormontabile forza repulsiva che si sarebbe generata tra protone e nucleo. Col neutrone, non elettricamente carico, questo problema veniva rimosso.
 A quel punto diversi fisici cominciarono a divertirsi sparando neutroni contro tutti i nuclei atomici.
Enrico Fermi
Probabilmente il più attivo di tutti fu Enrico Fermi, che in pochi mesi ottenne diversi isotopi di ben 37 elementi.
Con "isotopo" di un elemento intendiamo essenzialmente un atomo di quell'elemento che ha un numero di neutroni diverso dalla norma.


Fermi ottenne anche un altro risultato interessante. Dopo aver incollato un certo numero di neutroni a dei nuclei, capì che un neutrone aveva più probabilità di appiccicarsi al nucleo se la sua velocità era ridotta. Per farla breve, ciò è dovuto al fatto che una particella a velocità bassa occupa un volume maggiore rispetto a quando viaggia a velocità elevate (tale risultato è legato al famoso Principio di Indeterminazione). La ragione di questo comportamento sta nel fatto che la forza nucleare forte agisce solo entro brevissime distanze; basta che solo una parte del neutrone entri nel suo range di azione perché questi ne sia attratto. E' evidente allora che neutroni più grandi hanno maggiori possibilità di entrare in questo raggio d'azione.
Si cominciò così a rallentare i neutroni prima di farli collidere coi nuclei, ad esempio facendoli passare in mezzo a un materiale prima dell'impatto. Questo procedimento è fondamentale, ed utilizzato tutt'oggi nelle centrali nucleari e nelle bombe a fissione.


Un nuovo elemento?
 Oltre alla possibilità di costruire isotopi, il bombardamento dei nuclei con neutroni recava anche un altro vantaggio. Per capirlo occorre tener presente un nuovo fenomeno.

Immaginiamo di aver appiccicato un neutrone a un nucleo composto da 10 protoni e 10 neutroni. Dopo il bombardamento ci ritroviamo quindi con un nucleo composto da 10 protoni e 11 neutroni. In generale però, i nuclei di questo tipo sono instabili e tendono a decadere. Ciò significa che il neutrone appena catturato si trasformerà entro pochi minuti in un protone. Ci ritroviamo quindi con un nucleo composto da 11 protoni e 10 neutroni. Dato che ciò che contraddistingue un elemento è il numero di protoni, e non quello di neutroni, abbiamo ottenuto un nuovo elemento a seguito di un bombardamento.
Se avete dei dubbi riguardo alla reale utilità di questo fenomeno vi basti pensare che con un po' di accortezze potete trasformare quasi ogni elemento in oro!

 Il ragionamento che fecero i fisici del tempo è evidente: si poteva sfruttare questo meccanismo per creare nuovi elementi. Ovviamente Fermi non si fece sfuggire quest'opportunità, e cominciò a sfornare elementi artificiali. Il tutto andò avanti meccanicamente, fino ad arrivare all'uranio. Anche questo non sfuggì alla sorte di essere cecchinato da Fermi con un neutrone, ma sorprendentemente si comportò in maniera diversa dagli altri elementi.
Uranio
L'uranio non si trasformava nel suo elemento successivo, ma diventava qualcos'altro. All'inizio Fermi pensò di aver scoperto un elemento con caratteristiche completamente nuove, al quale diede il nome di Uranio X. A dire il vero nessuno aveva idea di cosa fosse successo, e si dovette aspettare il 1939 per avere la risposta:
Il nucleo di uranio colpito da un neutrone non si trasformava in un altro nucleo, ma si spaccava in due! Tale frattura viene chiamata fissione nucleare.

Reazioni a catena
 A voler essere precisi, il nucleo di uranio (92 protoni e 143 neutroni) non si spezza semplicemente in due, ma si divide in:
  • un nucleo di bario (56 protoni e 85 neutroni)
  • un nucleo di kripton (36 protoni e 56 neutroni)
  • tre neutroni liberi, contando anche quello necessario a far partire la fissione
  • moltissima energia, sotto forma di fotoni
Dato che tra i prodotti della fissione ci sono anche dei neutroni liberi, si pensò che mettendo insieme qualche miliardo di atomi di uranio questi potessero dare il via a una reazione a catena. In altre parole, i neutroni prodotti dalla fissione sarebbero andati a collidere con altri nuclei di uranio generando altre fissioni nucleari. Dato che per ciascuna fissione viene sprigionata una grandissima quantità di energia, si immaginarono fin da subito gli sviluppi tecnologici che tale scoperta avrebbe portato.

 Le conseguenze di questo ragionamento sono fondamentalmente due, e sono note a tutti:
Bombe a fissione


Centrali nucleari














 Tale energia salta fuori dal fatto che parte della massa dell'uranio viene convertita in energia, secondo la relazione che abbiamo già visto qui. Per farci un'idea quantitativa è sufficiente pensare che la fissione di un kilo di uranio produce la stessa energia che si otterrebbe bruciando 3 milioni di litri di petrolio!

Grazie per aver letto fin qui,

Giulio






Immagini tratte da:
www.satirewire.com

www.risparmioeinvestimento.it
https://it.wikipedia.or/wiki/Bombardamenti_atomici_di_Hiroshima_e_Nagasaki 
www.zeusnews.it

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