La prima reazione nucleare

Che cos'è l'energia nucleare?

L’energia nucleare è quella forma di energia che deriva da reazioni tra particelle elementari. Nel periodo successivo alla seconda guerra mondiale, in cui molti risultati degli studi di fisica nucleare hanno suscitato largo interesse anche presso la grande massa del pubblico non specializzato, è divenuto d’uso corrente attribuire l’aggettivo atomico a tutto ciò che fosse in qualche modo in relazione con tutti i fenomeni caratteristici delle particelle elementari. In alcuni casi questo aggettivo è usato impropriamente: per esempio le locuzioni energia atomica e pila atomica vanno piú correttamente sostituite da energia nucleare e reattore nucleare, in quanto non è l’atomo, ma piuttosto un costituente di questo, il nucleo, la sede del complesso di fenomeni che tanta importanza ha avuto nello sviluppo scientifico e anche politico del mondo negli ultimi anni.

Gli elementi radioattivi e la reazione nucleare di Rutherfotd

La considerazione di un gran numero di fenomeni di natura fisica e chimica portò dapprima, come è noto, a riconoscere nella molecola e nell’atomo i costituenti ultimi della materia. Ma si è assodato che l’atomo ha a sua volta una struttura abbastanza complicata e che di esso fanno parte gli elettroni. Avendo questi carica negativa, mentre l’atomo è nel suo complesso elettricamente’ neutro, è chiaro che di questo devono far parte anche cariche positive. La natura del costituente positivo dell’atomo, il nucleo, rimase a lungo incognita, anche perché esso non partecipa direttamente ai fenomeni di natura chimica di cui gli elettroni sono i responsabili, finché una celebre esperienza di lord Rutherford, nell’anno 1911, non dimostrò l’esistenza del nucleo, chiarendo che si trattava di un aggregato di particelle, nel suo complesso carico positivamente, e di massa di poco inferiore alla massa totale dell’atomo (ossia gli elettroni hanno una massa trascurabile rispetto a quella del nucleo). Questa esperienza risolse in modo soddisfacente il problema della struttura dell’atomo, che può pertanto essere descritto come costituito da un numero Z di elettroni, ciascuno dotato di carica negativa uguale a 1,6 X 10-19 coulomb (che si suole indicare con il simbolo e) e da un nucleo di carica positiva Ze, intorno al quale si muovono gli elettroni in un modo che è prevedibile con ottima approssimazione, in base a semplici leggi di elettrodinamica. Il numero Z degli elettroni (numero atomico) è caratteristico di ciascun elemento. Il nucleo più semplice è quello dell’idrogeno (Z = 1), ed è chiamato protone. Tutti gli altri sono costituiti da un insieme di protoni e di neutroni, che sono particelle di massa approssimativamente uguale a quella del protone, ma prive di carica. I fenomeni a cui il nucleo atomico prende parte erano quasi del tutto ignoti sino al 1919. Gli unici processi sino ad allora estesamente studiati erano quelli della radioattività naturale, scoperta da H. Becquerel (1896) e studiata soprattutto dai coniugi Pierre e Marie Curie dal 1898 in poi. Fu accertato che i nuclei più pesanti, e precisamente quelli (detti appunto radioattivi) costituiti da più di 207 tra neutroni e protoni, possono emettere particelle cariche, ed eventualmente radiazioni penetranti (raggi gamma) trasformandosi nel contempo in nuclei più leggeri. Vengono liberate, a seconda del nucleo radioattivo che si considera, o particelle beta (elettroni, o particelle alfa, che sono nuclei del gas elio, con carica positiva doppia di quella dell’elettrone e massa quadrupla (ossia le particelle alfa sono costituite da due protoni e due neutroni): pochi nuclei possono emettere tanto particelle alfa quanto particelle beta. L’emissione di raggi gamma si può ritenere un fenomeno secondario. La velocità con cui un elemento radioattivo si disintegra emettendo particelle alfa o beta e si trasforma in un altro detto ‘figlio’ è caratteristica di ciascun elemento e può variare entro limiti amplissimi. Si definisce periodo di semi-trasformazione o di dimezzamento o di vita media di una sostanza radioattiva l’intervallo di tempo in cui si disintegra la metà dei nuclei iniziali, mente presenti. Per esempio per il radio tale periodo è di 1622 anni, per l’uranio è di 4.510.000.000 di anni, per il polonio 138 giorni, per il radio C’ circa un decimillesimo di secondo. Gli elementi radioattivi naturali, classificati secondo le loro relazioni di parentela appartengono a tre grandi famiglie, aventi come capostipiti l’uranio, l’attinio e il tonfo. Alla famiglia dell’uranio appartiene anche il radio. In tutti e tre i casi l’ultimo elemento prodotto nella catena di disintegrazione è il piombo, che è stabile. Fino al 1919 non fu possibile far avvenire in laboratorio alcuna trasformazione di un nucleo in un altro, ossia un fenomeno del tipo di quelli che si verificano nelle sostanze radioattive, né fu possibile produrre artificialmente alcun elemento capace di disintegrarsi. In tale anno Rutherford ottenne il primo esempio di reazione nucleare bombardando il gas azoto con particelle alfa ottenute da sostanze radioattive naturali. La reazione nucleare che fu ottenuta da Rutherfotd è: N+Ne —-> O+H.

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