Fissione e fusione nucleare, la bomba atomica

Fissione e fusione nucleare, la bomba atomica

La fissione e la fusione nucleare sono due fenomeni fisici che confermano in pieno la previsione relativistica circa l'equivalenza tra massa ed energia. Prima ancora di analizzare questi fenomeni, applichiamo la previsione relativistica al fine di stabilire le energie di legame dei nucleoni di qualsiasi atomo. In particolare analizzeremo l'atomo di . Il nucleo di questo elemento è composto da due protoni e da due neutroni: essendo la massa del protone e quella del neutrone , la massa di un nucleo di elio dovrebbe risultare:

Il valore ottenuto dalla 145) lo confrontiamo con il valore della massa atomica derivante dalla consultazione della tavola periodica. Tale valore è: che convertito in Kg per ogni particella risulta uguale a . Che fine hanno fatto i di differenza tra le due masse? Secondo la Relatività Ristretta questa differenza di massa, chiamata difetto di massa si è trasformata in energia secondo la famosa equazione einsteiniana, per la precisione, l'energia sviluppata dai nucleoni è di:

Tale energia è l'energia richiesta per rompere un nucleo di

La fissione nucleare è un processo in cui un nucleo di un elemento pesante si scinde in due nuclei più leggeri di massa intermedia, vedi fig.(23-24). Un tipico esempio di fissione è la scissione di un nucleo di uranio in due nuclei, tellurio e zirconio, con la conseguente emissione di 2 neutroni e di una gran quantità di energia:

Utilizzando le unità del Sistema Internazionale, calcoliamo la massa totale iniziale:

Confrontandola con la massa rilevata sperimentalmente dopo la fissione, quindi la somma complessiva delle masse di tutti i termini a "destra" della reazione, pari a: , si nota che essa differisce dalla massa iniziale dell'Uranio. Una parte di massa, durante la fissione si è trasformata in energia. Calcoliamo il difetto di massa:

Calcoliamo l'energia liberata dalla fissione di un solo atomo di Uranio:

Da una piccolissima variazione di massa si è ottenuta una grande quantità di energia, che l'uomo ha imparato ad utilizzare, nel bene e nel male. In quest'ultimo frangente è stata progettata un'arma di straordinaria potenza: la bomba atomica. Vediamo quale è effettivamente l'energia liberata all'istante della deflagrazione da un ordigno di minima potenza, ovvero che possiede la minima quantità di materiale fissile necessaria a scatenare la reazione a catena incontrollata. Questa quantità viene definita come massa critica, che per l'Uranio 235 equivale a 16 Kg di massa a riposo di questo materiale. Calcoliamo il corrispondente numero di moli:

Calcoliamo il numero di particelle:

Calcoliamo l'energia liberata dalla fissione di questo grande numero di particelle:

Quella ottenuta è una quantità di energia immensa: si parla di milioni di miliardi di Joule!

Un altro metodo attraverso cui l'energia dei legami nucleari può essere trasformata in energia utilizzabile è rappresentato dalla fusione nucleare. Questo è un processo in cui due nuclei più leggeri si combinano per dare origine ad un nucleo più pesante con conseguente emissione di energia. In questo caso la massa del nucleo finale è leggermente inferiore rispetto alla somma delle masse a riposo dei nuclei più leggeri, e, anche in questo caso, la differenza di massa si è tramutata in energia. Nel processo di fusione l'energia liberata è molto maggiore rispetto all'energia liberata durante il processo di fissione, ma in compenso l'energia di attivazione che la reazione richiede è estremamente elevata. Le condizioni favorevoli all'innesco di una fusione nucleari si trovano nelle stelle. Presentiamo gli stadi della fusione: