Era Atomica

Con Era Atomica si identifica il periodo iniziato intorno agli anni '20 del Novecento e che continua tutt'oggi, caratterizzato dalla ricerca scientifica per lo sfruttamento dell'energia nucleare. Per energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. Le reazioni che coinvolgono l'energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività [= decadimento radioattivo].

1.1 L'ENERGIA RELATIVISTICA Prima di analizzare nel dettaglio i processi che portano alla produzione di energia nucleare è necessario fare un accenno ad una teoria che, oltre ad aver stravolto il mondo della fisica, spiega perché nei processi di fissione/fusione si liberi così tanta energia: la Teoria della Relatività Ristretta di Einstein (1905). Questa teoria sancisce, tra l'altro, che E=mc², dove E indica l'energia, m la massa e c la velocità della luce (elevata al quadrato). Osservando questa formula - che unifica i principi di conservazione della massa e dell'energia precedentemente divisi - appare chiaro come, essendo la velocità della luce - peraltro elevata al quadrato - una quantità assai rilevante (nell'ordine dei 3·10⁸m/s), anche una massa apparentemente trascurabile può trasformarsi in una quantità apprezzabile di energia. Le reazioni di fissione/fusione permettono di ricavare energia grazie al difetto di massa, ovvero differenza tra la massa dei nuclei reagenti e la massa dei prodotti nella reazione [nella fissione è la differenza tra la somma delle masse delle singole particelle di un nucleo e la massa del nucleo stesso; nella fusione è la differenza tra la massa del nucleo grande che si forma con la fusione e la somma delle masse dei nuclei leggeri originali].

1.2 LA FISSIONE NUCLEARE Nelle reazioni di fissione nuclei di atomi pesanti - che hanno cioè un elevato alto numero atomico (es. Uranio [U] [Z=92] - quello naturale è composto da una miscela di tre isotopi, U234, U235, e U238, di cui U238 è il più abbondante, ma il solo U235 è fissile -, Plutonio [Pu] [Z=94] - prevalentemente sintetico, si ottiene a partire dall'U238 che, dopo aver assorbito un neutrone ed essersi dunque convertito in U239, decade prima in Nettunio [Np239] e poi in Plutonio -, Torio [Z=90]) - si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia. L'energia liberata è maggiore di molti ordini di grandezza rispetto all'energia liberata in una reazione chimica. Una reazione di fissione ha inizio quando un neutrone lento è assorbito da un nucleo (es. U235); in questo modo il suo numero di massa [A] aumenta di un valore pari a 1 e il nucleo resta in uno stato eccitato. In questo stato il nucleo oscilla violentemente e si deforma fino a rompersi. Ci sono circa 90 modi diversi in cui il nucleo dell'U235 può subire una fissione. Nel corso di tale processo, oltre alla formazione dei 2 nuclei più piccoli, vengono emessi 2 o 3 - mediamente 2,47 - neutroni (aspetto, questo, fondamentale per l'innesco di una reazione a catena).

Es.

U²³⁵₉₂ + n -> U²³⁶₉₂*

U²³⁶₉₂* -> Ba¹⁴⁰₅₆ + Kr⁹³₃₆ +3n + 172 MeV

[l'energia liberata da una singola molecola di benzina è pari a solo 2eV]

1.3 LA FUSIONE NUCLEARE Nelle reazioni di fusione nuclei di atomi leggeri - che hanno cioè un basso numero atomico (es. Idrogeno [Z=1], Deuterio e Trizio (entrambi isotopi dell'idrogeno) -  si fondono, dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia; il processo di fusione è il medesimo che si verifica nelle stelle. L'energia liberata è maggiore di molti ordini di grandezza rispetto all'energia liberata in una reazione chimica, ma è anche maggiore rispetto all'energia liberata in una reazione di fissione nucleare. L'enorme energia termica (ca. 10⁸ K) necessaria ad innescare la reazione serve a vincere la Forza di Coulomb che, in virtù del fatto che cariche dello stesso segno si respingono - i nuclei di 2 elementi sono entrambi carichi positivamente -, renderebbe impossibile il realizzarsi di tale reazione.

Es. [Catena Protone - Protone]

H¹₁ + H¹₁ -> H²₁ + e⁺ + ν

H²₁ + H¹₁ -> He³₂ +

He³₂ + He³₂ -> He⁴₂ + 2H¹₁

L'energia totale liberata durante questo processo è di circa 25 MeV.

1.4 IL DECADIMENTO RADIOATTIVO Le reazioni di decadimento radioattivo coinvolgono nuclei di atomi instabili che attraverso processi di emissione/cattura di particelle subatomiche tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio conseguentemente alla diminuzione della massa totale del sistema.