Scienze: la fusione nucleare

Fisica: massa ed energia nella relatività ristretta.

Fondamentale nella storia del secondo dopoguerra fu dunque la corsa agli armamenti di USA e URSS, i quali, nel tentativo di raggiungere una supremazia assoluta, finanziarono ricerche verso armi sempre più distruttive. In seguito allo sviluppo dell'uso militare dell'energia atomica, si giunse all'arma potenzialmente più catastrofica: la bomba H, in cui le reazioni nucleari di fusione di atomi di idrogeno comportano la formazione di atomi d'elio e, soprattutto, l'emissione di grandi quantità di energia, similmente a quanto accade nelle stelle. La reazione di fusione necessita di temperature elevatissime perché vengano vinte le forze di repulsione tra gli atomi; nella bomba H, tale temperatura è raggiunta attraverso la precedente esplosione di una bomba atomica (a fissione). Nelle stelle, invece, una temperatura adatta alle reazioni termonucleari viene raggiunta solo nel nucleo (le stelle hanno origine dalla contrazione di una nebulosa interstellare: l'energia gravitazionale che causa questa contrazione viene infatti convertita in calore fino a quando nel nocciolo della protostella viene raggiunta la temperatura di dieci milioni di gradi, e quindi possono iniziare le reazioni termonucleari); nel Sole la temperatura raggiunge i 15000000 K e permette la fusione nucleare attraverso il processo noto come catena protone-protone. Tale processo si può dividere in due fasi: dapprima si ha la fusione di due protoni, cioè di due nuclei di idrogeno prozio, con produzione di un nucleo di deuterio, di un elettrone positivo e di neutrini. Quindi, il deuterio, fondendosi con un altro protone, porta alla formazione di un nucleo di elio leggero (due protoni, ma solo un neutrone), che unendosi ad un nucleo dello stesso tipo dà luogo alla nascita di un nucleo di elio e all'emissione di due protoni (i quali potranno dare vita ad altre reazioni di fusione). In questo processo, avviene una perdita di massa, che viene trasformata in energia secondo la nota equazione relativistica E=mc²: un corpo, disintegrato completamente, fornisce una quantità di energia pari alla sua massa moltiplicata per il quadrato della velocità della luce.

Tale formula fu ricavata da Einstein in seguito all'osservazione che la massa di un corpo non è costante, ma varia con la velocità; ciò è deducibile attraverso un semplice esempio: se un proiettile viene sparato contro una molla, due osservatori O e O', uno facente parte del sistema di riferimento in cui si trova la molla, l'altro in moto rettilineo uniforme rispetto ad esso, vedranno un'identica contrazione della molla, e quindi calcoleranno un'identica quantità di moto mv per il proiettile. Tuttavia, secondo le trasformazioni relativistiche della velocità, O e O' possono osservare due diverse velocità per il proiettile, e quindi dall'uguaglianza delle due quantità di moto risulta che la massa del proiettile deve subire una variazione. In particolare, si trova che la massa m di un corpo in movimento a velocità v è m=m₀(1-v²/c²)^-1/2 (con m₀ massa a riposo del corpo). La massa di un corpo cresce dunque con l'aumentare della sua velocità.

Da ciò Einstein dedusse che la massa è una forma di energia. Un corpo in moto possiede infatti un'energia totale E=mc² maggiore di E₀=m₀c², che è detta energia a riposo del corpo. E₀, che è l'energia di un corpo in quiete e senza alcuna energia potenziale, è anche l'energia che si otterrebbe disintegrando completamente la massa a riposo del corpo. L'energia totale E=mc² di un corpo è quindi uguale alla sua energia a riposo sommata alle sue energie cinetica e potenziale. Così, cambia anche il concetto di energia cinetica, che, si scopre, non vale 1/2mv², bensì, in assenza di energie potenziali, E - E₀.