Fissione e fusione

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Fisica FISSIONE E FUSIONE

Dopo la scoperta del neutrone da parte di Chadwick nel 1932, i fisici compresero
di avere la chiave per manipolare il nucleo atomico. Infatti, il neutrone non
possiede carica ed и capace di penetrare fin dentro il nucleo senza interagire
con le cariche delle altre particelle (protoni ed elettroni). Vari nuclei furono
bombardati con neutroni dai fisici, e tra loro c'era anche Enrico Fermi che
scoprм per primo circa trentasei nuovi isotopi radioattivi. Fermi, inoltre,
scoprм che se il neutrone che и sparato contro il nucleo viene rallentato fino a
raggiungere la velocitа termica, la normale velocitа del moto degli atomi, ha
una maggiore probabilitа di venir assorbito da un nucleo, perchй resta piщ a
lungo nelle sue vicinanze. La probabilitа che una data specie di nucleo catturi
un neutrone и chiamata sezione d'urto, termine che descrive il nucleo come un
bersaglio di determinata grandezza. Quando un nucleo cattura un neutrone, il suo
numero atomico rimane invariato perchй la carica del nucleo non viene alterata,
mentre il peso atomico sale di un'unitа. L'energia conferita al nucleo
dall'ingresso del neutrone puт eccitare il nucleo, cioи accrescere il suo
contenuto energetico. Questo surplus di energia viene poi emesso sotto forma di
raggio gamma, ma il nuovo nucleo che si и formato spesso и instabile. Dato che
il bombardamento con i neutroni и un facile metodo per convertire un elemento in
quello successivo, Fermi pensт di bombardare un atomo di uranio per vedere se si
sarebbe creato in modo artificiale un nuovo elemento. Ci volle un po' di tempo
da parte dei fisici di tutto il mondo per capire che il prodotto del
bombardamento dell'uranio non era in realtа un nuovo elemento ma due elementi
con peso atomico uguale alla metа di quello dell'uranio ; in parole povere il
bombardamento aveva spezzato in due l'atomo, era avvenuta una fissione nucleare.
La fissione liberava una quantitа straordinaria di energia, di gran lunga
superiore della semplice radioattivitа, e durante la reazione venivano liberati
due o tre neutroni. Quest'ultimo fatto era estremamente importante, poichй ciт
rendeva possibile la realizzazione di una reazione nucleare a catena che
permetteva la produzione di notevoli quantitа di energia. Ma in quel periodo il
mondo si trovava a dover affrontare la Seconda Guerra Mondiale, e subito fu
compresa la possibilitа di utilizzare quell'energia per scopi bellici.
La bomba
Poichй questo lavoro и incentrato sulla bomba atomica, e poichй una bomba per
principio и progettata per creare il massimo effetto distruttivo e caotico,
nelle righe e pagine seguenti non tratterт alcun argomento riguardante i
reattori nucleari o qualsiasi altro dispositivo del genere, perchй essi invece
sono costruiti in modo tale da aver una reazione nucleare a catena controllata.
E' comunque importante ricordare la pila di Fermi in quanto primo esempio di
reattore nucleare e modello stesso di riferimento per la costruzione della bomba
atomica. Intanto i fisici avevano scoperto un altro combustibile adatto per la
fissione : l'uranio 238, dopo aver assorbito un neutrone termico, diventa uranio
239, che decade in nettunio 239, il quale a sua volta decade beta con analoga
rapiditа dando origine al plutonio 239.

Il plutonio 239, avendo nel nucleo un numero dispari di neutroni ed essendo piщ
complesso dell'uranio 235, dovrebbe essere molto piщ instabile. Dal 1943 a Oak
Ridge e ad Hanford furono costruiti speciali reattori per preparare plutonio,
cosм che nel 1945 erano giа disponibili quantitа di uranio e plutonio
sufficienti per costruire delle bombe. Per costruire una bomba era necessario
accelerare il piщ possibile i tempi della reazione a catena, il che richiedeva
l'uso di neutroni veloci per ridurre l'intervallo tra una fissione e l'altra.
Venne pertanto eliminato il moderatore e la bomba venne chiuso in un massiccio
involucro per tenere insieme l'uranio finchи buona parte di esso subisse la
fissione. Dato che una massa critica di materiale fissile sarebbe esplosa
spontaneamente, innescata dai neutroni vaganti presenti nell'aria, il
combustibile per la bomba venne suddiviso in due o piщ sezioni. Il meccanismo di
innesco era un esplosivo convenzionale, che provocava il contatto delle varie
sezioni al momento della detonazione : un dispositivo era chiamato "Thin Man"-
un tubo con due pezzi di uranio agli estremi - mentre l'altro, detto "Fat Man",
era un guscio composto di materiale fissile che implodeva verso il centro ; per
effetto dell'implosione e di un pesante involucro esterno, detto tamper, veniva
allora a formarsi momentaneamente una densa massa critica. L'involucro aveva
anche la funzione di riflettere i neutroni rinviandoli nella massa in cui era in
corso la fissione, riducendo in tal modo le dimensioni critiche. Questa и
chiamata comunemente bomba atomica, o bomba A.

FUSIONE
Nel frattempo la bomba a fissione и diventata un'arma superata : gli uomini
riuscirono ad innescare un'altra reazione nucleare capace di produrre bombe
ancora piщ devastanti. A temperature molto alte, nell'ordine dei milioni di
gradi, l'energia dei protoni и abbastanza sufficiente per consentire la loro
fusione : cosм due protoni di due atomi di idrogeno si possono unire, e dopo
aver emesso un positrone e un neutrino (processo che converte uno dei protoni in
un neutrone) costituiscono un nucleo di deuterio, un isotopo dell'idrogeno.
Questo, a sua volta, puт fondersi con un protone dando origine a un nucleo di
trizio, che puт fondersi con un altro protone formando un nucleo di elio 4 ;
oppure i nuclei di deuterio e di trizio possono combinarsi in altri modi,
formando sempre elio 4.

Queste reazioni avvengono solo in presenza di altissime temperature, per questo
vengono chiamate reazioni termonucleari. Negli anni trenta si credeva che queste
temperature fossero raggiunte soltanto all'interno delle stelle, ma con la bomba
basata sulla fissione dell'uranio l'uomo fu capace di raggiungere le temperature
necessarie anche sulla terra. La fissione poteva cosм innescare nell'idrogeno
una reazione di fusione nucleare a catena.

grafico dell'energia di legame per nucleone

la produzione di energia sia nelle reazioni di fusione che di fissione и
spiegabile in termini di energia di legame per nucleone dei nuclei Un guadagno
in energia media per nucleone comporta che il nucleo prodotto della reazione sia
piщ legato dei nuclei reagenti, per cui abbia un difetto di massa rispetto ai
reagenti. Questa massa si и trasformata in energia secondo la famosa equivalenza
relativistica E= mc2

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