La fissione nucleare

La fissione nucleare

Nel gennaio 1939 il lavoro di Hahn e Strassmann sul giornale Naturwissenschaften comunicava la scoperta della fissione, dedotta dal bombardamento dell'uranio con neutroni lenti. Essa è il processo consistente nella divisione del nucleo atomico in parti uguali aventi masse dello stesso ordine. Da analisi chimiche sul materiale radioattivo ottenuto, si trovò che fra i prodotti dell'assorbimento dei neutroni da parte dell'uranio vi era il bario radioattivo (Z = 56), un elemento la cui massa era molto più piccola di quella dell'uranio iniziale. Questo esito costituiva un vero mistero per gli scienziati che non riuscivano a spiegarsi come si potesse formare un elemento così leggero dall'uranio. Tale anomalia fu risolta da Meitner e Frisch, due fisici tedeschi, i quali avanzarono l'ipotesi che l'assorbimento dei neutroni da parte dell'uranio producesse una scissione del nucleo in due frammenti leggeri:

U (Z = 92) + n Ba (Z = 56) + Kr (Z = 36).

La suddivisione può aver luogo naturalmente (fissione spontanea, con bassissima probabilità di realizzazione) o in seguito a bombardamenti con neutroni o raggi g (fissione indotta).

La teoria delle reazioni nucleari stabilisce le leggi secondo le quali varia la probabilità delle diverse reazioni nucleari in funzione dell'energia prodotta dalla particella incidente. Il fatto che dalla reazione di fissione per cattura di un neutrone se ne producano due o più ha suggerito la possibilità di stabilire una catena di processi, una volta innescati i primi mediante una sorgente di neutroni.

Lo svolgimento di un fenomeno di fissione si può spiegare a grandi linee, secondo il modello a goccia.

Gli elementi transuranici

Nel 1938 Hahn riprese gli esperimenti sugli elementi transuranici. In seguito a una serie di irradiazioni ottennero la produzione di un isotopo alcalino-terroso che avrebbe dovuto essere bario o radio. Tuttavia, secondo il punto di vista prevalente della fisica nucleare di quegli anni, la produzione di bario era considerata impossibile ed era inevitabile la conclusione in favore del radio. Hahn e Strassmann tentarono di separare questo radio artificiale mediante cristallizzazione frazionata e altre tecniche chimiche, ma senza alcun successo. Allora i due scienziati applicarono il 'metodo dell'indicatore', mescolando al prodotto sconosciuto atomi di radio naturale e procedendo a cristallizzazioni come bromuri, cloruri e cromati, sempre col corrispondente sale di bario come vettore. Frazionando queste miscele, si separavano dal bario gli isotopi del radio naturale ma non i sospettati isotopi di radio artificiale. Questi risultati indussero Hahn e Strassmann a ritenere che sotto l'azione di neutroni l'uranio si fosse rotto in due parti, di cui la più accessibile era il bario. Tuttavia, subito dopo la pubblicazione dei risultati iniziali, nel gennaio 1939, L. Meitner e suo nipote, 0. R. Frisch, avevano pubblicato una spiegazione del processo di fissione. Poche settimane dopo la loro seconda pubblicazione, Hahn e Strassmann annunziarono la scoperta del secondo prodotto della fissione dell'uranio, il gas raro cripto. Le loro scoperte furono ben presto confermate negli istituti di fisica atomica degli USA, della Francia e della Gran Bretagna e inoltre Hahn e Strassmann trovarono che era possibile anche la fissione del torio se bombardato con neutroni veloci. Questi neutroni addizionali rendono possibile una reazione a catena e l'uso del processo di fissione per liberare l'energia dal nucleo atomico. Ne derivò così la possibilità di creare una bomba nucleare e di utilizzare la fissione controllata per usi pacifici. I processi di fissione nucleare che dovrebbero consentire in futuro di sostituire le fonti di energia naturale, carbone e petrolio, che si vanno gradualmente esaurendo, vengono già utilizzati per la produzione d'isotopi radioattivi ed elementi artificiali necessari, in piccole quantità, in molti campi della chimica.

Enrico Fermi

Enrico Fermi nacque a Roma nel 1901. Si dedicò particolarmente allo studio dei nuclei atomici e dei neutroni, scoprendo la radioattività artificiale provocata da bombardamento di elettroni, il rallentamento dei neutroni da parte dei nuclei di idrogeno, giungendo alla formula dell'ipotesi dell'esistenza del neutrino. Si dedicò al problema di ottenere liberazione controllata di energia nucleare da parte di materiale radioattivo; tale risultato fu raggiunto il 2 dicembre 1942 con l'entrata in funzione del primo reattore nucleare (la pila di Fermi) alla cui realizzazione collaborò in maniera decisiva. Nelle 1944 prese parte agli studi per la realizzazione della prima bomba atomica, a Los Alamos. Nel 1938 gli fu conferito il Premio Nobel per gli studi effettuati sui neutroni.

Morì nel 1954 a Chicago. La vita di Enrico Fermi è narrata nella biografia scritta dalla moglie Laura.

Energia prodotta

Sia Elt l'energia di legame totale di un nucleo, cioè l'energia che si renderebbe disponibile nel caso in cui il nucleo venisse scisso in tutti i suoi neucleoni componenti. Dividendo tale valore di energia per il numero dei nucleoni si ha un valore medio dell'energia di legame per ciascun nucleone. L'andamento dell'energia di legame diminuisce all'aumentare del numero di massa. L'uranio 238 ha, per esempio, El = 7,6 MeV. Se si volesse scindere un nucleo di U-238, in due nuclei aventi numeri di massa A = 100 e A = 138, El sarà rispettivamente pari a 8,6 e 8,3 MeV. Un'analisi dell'energia di legame rivela che partendo da Elt= 238*7,6 = 1809 MeV si giunge a Elt1+Elt2 = 100*8,6 + 138*8,3 = 2005 MeV con una differenza di circa 200 meV che si liberano durante la fissione, per un singolo nucleo. Poiché un evento di fissione comporta la scissione di circa un milione di nuclei, si avrà un guadagno di energia pari 200*10^6 MeV.

Il modello a goccia

Il nucleo viene assimilato, secondo questo schema proposto da Bohr, a una goccia di liquido incomprimibile e uniformemente carico, dotata di tensione superficiale ed energia repulsiva colulombiana. Si fornisca energia a questa goccia: se questa energia, che diremo di eccitazione è piccola, la goccia, inizialmente sferica, tenderà a deformarsi, ma, non raggiungendo una posizione di equilibrio, dopo un po' di tempo, riprenderà la configurazione iniziale; se l'energia di attivazione, invece, supera un certo valore critico, il processo diventa irreversibile e porta alla scissione della goccia in due parti. Tale valore critico è espresso dalla seguente equazione, in funzione del numero di massa A e del numero atomico Z:

Ecr = A^ 2/3*(0.89 - 0.02 * Z / A). 

Otto Hahn

Otto Hahn nacque a Francoforte sul Reno l'8 Marzo del 1879. Studiò chimica in Germania, alle università di Marburg e Monaco e dopo essersi laureato si trasferì prima a Londra, per lavorare con Ramsay, e poi in Canada, dove collaborò con Rutherford all'Istituto di fisica. Nel 1906 tornò a Berlino all'Istituto di chimica, ma vi rimase solo due anni, poiché dovette partecipare alla prima guerra mondiale dal 1914 al 1918. Nel 1932 Chadwick aveva scoperto gli elettroni e qualche anno dopo Fermi aveva riconosciuto che nelle trasformazioni nucleari si ottenevano migliori risultati usando queste particelle neutre anziché nuclei di elio o di idrogeno; egli inoltre aveva trovato che irradiando con neutroni lenti poteva trasformare gli elementi del sistema periodico in isotopi radioattivi dell'elemento. Irradiando, quindi, con neutroni l'uranio si trovò un prodotto di trasformazione radioattivo, chiamato 'transuranio'. Hahn, nel 1934, ripeté, verificò gli esperimenti di Fermi e, in collaborazione con Lise Meitner, scoprì parecchi altri elementi transuranici con numeri atomici fra il 94 e il 96. Tra gli altri contributi alla chimica di Hahn, va ricordata la scoperta dell'elemento protoattinio e la scoperta di isomeri nucleari (atomi i cui nuclei differiscono non per il contenuto di neutroni ma per il contenuto di energia e per il modo del decadimento radioattivo).

Nel secondo dopoguerra Hahn, quale presidente della 'Max Planck Gesellschaft', si dedicò alla rinascita della ricerca scientifica tedesca, distrutta dalla guerra. Nel 1957, in collaborazione con altri 17 scienziati, si adoperò contro un possibile riarmo nucleare da parte della Germania.

E' morto nel 1968.

PLUTONIO

Elemento chimico artificiale della serie dei transuranici, di numero atomico 94. Venne scoperto nel 1949 da un gruppo di ricercatori che ottennero una minima quantità del suo isotopo di numero di massa 238, bombardando l'uranio 238 con nuclei di deuterio. Successivamente sono stati scoperti altri sedici isotopi con numeri di massa compressi fra 232 e 246, ottenuti attraverso reazioni nucleari diverse. Quello più facilmente ottenibile è l'isotopo di numero di massa 239, che si forma nei reattori nucleari attraverso il bombardamento dell'uranio 238 con neutroni. Esso pur essendo radioattivo, è stabile e può quindi essere separato, conservato e studiato. Questo isotopo subisce il fenomeno della fissione nucleare accompagnato dallo sviluppo di enormi quantità di energia, per cui viene utilizzato sia a scopo bellico sia nei reattori nucleari per la produzione di energia. Allo stato di elemento libero il plutonio si presenta come un metallo di colore argenteo, che fonde a 639 gradi centigradi. E' pesante, facilmente ossidabile e attaccabile dalla maggior parte degli acidi. Il plutonio e i suoi sali devono venire maneggiati con grande cautela a causa della loro altissima tossicità; esso tende infatti a fissarsi in alcuni tessuti, in particolare nelle ossa, dando poi luogo a gravi lesioni causate dalla forte radioattività.

URANIO

L'uranio è un elemento chimico di peso atomico 238,04 e numero atomico 92, scoperto da Klaproth nel 1789, in un campione di pechblenda. Pur non essendo tra gli elementi più scarsi della crosta terrestre, esso si trova spesso troppo diluito da poter essere estratto; fra i suoi numerosi minerali quelli più abbondanti sono l'uraninite, l'autunite e la carnotite. Giacimenti di uranio si trovano in quasi tutti i continenti: i più importanti sono quelli della Boemia, del Portogallo, del Canada, del Sudafrica, degli U.S.A e dell'ex Unione Sovietica. L'estrazione dell'uranio metallico puro è complessa, poiché si trovano delle difficoltà nel separarlo dal torio e dagli elementi della famiglia del lantanio. I minerali vengono quindi attaccati con acido nitrico, per formare nitrato di uranile, che viene poi estratto dalla soluzione per trasformarlo in ossido. Dall'ossido, infine, con l'attacco di acido fluoridrico, si ottiene il tetrafluoruro, che viene ridotto a metallo. L'uranio si presenta come un metallo simile all'acciaio; è duttile, malleabile, fonde ad oltre 1000° C, ha peso specifico 19,1 e viene facilmente attaccato dagli acidi. Esso, prima della scoperta dell'energia nucleare, non aveva alcun interesse tecnico e si utilizzava esclusivamente per colorare certe qualità di vetro e smalti ceramici. Attualmente, il suo uso è di combustibile nucleare per la produzione di energia mediante processi di fissione nucleare da parte di neutroni termici, in modo controllato nei reattori o incontrollato nelle bombe nucleari. L'uranio è composto per la quasi totalità dall'isotopo U-238 e per la restante parte dagli isotopi U-235 e U-234. L'U-238, al contrario dell'U-235 non è fissionabile, ma, se bombardato con i neutroni di un reattore nucleare, fornisce il plutonio, che può essere utilizzato quale combustibile ed esplosivo nucleare. Secondo dati dell'Agenzia Internazionale dell'Energia Atomica, le riserve mondiali accertate nel 1973 si aggiravano sulle 962000 ton. e la concentrazione maggiore si aveva negli Stati Uniti. Anche per quanto riguarda la produzione, che all'anno è di circa 44000 ton., i primi sono gli U.S.A. col 38,2 %; seguono il Canada e il Sudafrica.

Reazione a catena

Il processo di fissione comporta la liberazione di alcuni neutroni, 2,5 in media, nel caso dell'uranio; ciò permette una serie o una catena di eventi di fissione indotti da neutroni. Se un neutrone prodotto da un evento di fissione innesca la fissione di un altro nucleo e un neutrone prodotto in questo evento innesca un'altra fissione, ecc., questa serie di fissioni si autosostiene e costituisce una reazione a catena. Controllando l'ambiente in cui si trovano i nuclei che subiscono la fissione, si può mantenere una condizione in cui ciascun evento di fissione fornisce un solo neutrone che innesca un altro evento. In questo modo l'energia nell'untià di tempo, ovvero la potenza, è mantenuta a livello costante. La reazione di fissione a catena controllata è il principio sul quale si basa il reattore nucleare. E' possibile riunire in un piccolo volume una quantità di materiale fissile tale da far sfuggire un piccolo numero di neutroni prodotti nella fissione che innestino, ciascuno, una reazione a catena. In questa situazione incontrollata, dovuta alla moltpilicazione del numero di nuclei che subiscono la fissione, si ha una esplosiva liberazione dell'energia generata dalla fissione. Su questo si basa la bomba atomica.

Probabilità di fissione

Le condizioni più favorevoli per avere fissione nell'uranio 235 sono quelle di disporre di neutroni termici, che hanno una distribuzione di energia determinata dalla pura agitazione termica dei nuclei. Queste condizioni di fissione, tuttavia, non sono sufficienti a caratterizzare da sole completamente il processo. Infatti vi sono talora processi competitivi alla fissione che avvengono nei nuclei per cattura di un neutrone. Uno dei più importanti è il processo (n,y) o cattura con emissione di radiazione y. In questo caso, infatti, l'U235 si trasforma in U-238, che non dà fissione con neutroni lenti.

I libri letti per questa relazione sono:

-'L'atomo unirà il mondo', di Angelos Angelopoulos

-'Mutamenti nelle basi della scienza', di Werner Heisenberg

-'Gli apprendisti stregoni', di Robert Jungk

-'L'atomo in catene', di Annetta Baroni

-'Da Harward a Hiroshima', di Robert Oppenheimer

-'Atomo: vita e morte', di Gordon Dean

I siti INTERNET visitati sono stati:

- https://www2.europarl.eu.int

- Liceo Scientifico 'Majorana' di Reggio Calabria