PRESENTAZIONE

Anche se non è esatto (vedi il capitolo "L'atomo"), possiamo immaginare gli atomi come sistemi planetari in miniatura, con il nucleo al posto del sole e gli elettroni per pianeti. Questi ultimi sono piccolissimi e dotati di carica elettrica negativa; il nucleo, invece, è formato di due tipi di particelle molto più grosse e pesanti degli elettroni: i protoni e i neutroni. I primi sono particelle con carica elettrica positiva e trattengono gli elettroni negativi in orbita, mentre i secondi sono elettricamente neutri (da cui il loro nome) e la loro funzione è quella di trattenere i protoni in uno stesso nucleo; infatti, come i poli uguali di due calamite, i protoni, che sono tutti positivi, si respingerebbero vicendevolmente.

Spettroscopio di risonanza magnetica nucleare

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NUMERI ATOMICI

Ciò che rende diverso un atomo da un altro è il numero di protoni contenuto nel nucleo: tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone, altrimenti non sarebbero atomi di idrogeno. Il numero di protoni è detto numero atomico Z.

Invece, il numero di neutroni in un nucleo può variare, cioè possono esistere due atomi di ossigeno (Z=8) i cui nuclei contano rispettivamente 6 e 7 neutroni: gli atomi di un particolare elemento che differiscono tra loro per il numero dei neutroni sono detti isotopi. Nella notazione scientifica per distinguere tra loro due isotopi, per esempio i due atomi di ossigeno precedenti, si scriverebbe ₆0⁶ e ₆0⁷ dove il numero in basso a sinistra rappresenta il numero atomico mentre il numero in alto a destra specifica il numero di massa, cioè il numero totale di particelle del nucleo.

In genere, nel nucleo degli atomi più leggeri ci sono tanti protoni quanti neutroni: man mano che cresce il numero atomico la presenza dei neutroni supera quella dei protoni: l'Uranio ₉₂U(eps.235) ha il nucleo formato da 92 protoni e 235-92=143 neutroni (numero di massa - Z = numero di neutroni).

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RADIOATTIVITÀ NATURALE

In seguito alla scoperta dei raggi X da parte di Röntgen, il fisico francese Henry Becquerel iniziò a cercare elementi e composti che emettessero dei raggi X; per farlo, avvolse una lastra fotografica di carta nera e ci mise sopra pezzi di varie sostanze: trovò che un minerale, la pechblenda, era radioattivo. I coniugi Pierre e Marie Curie, lui francese e lei d'origine polacca, dopo due anni di intensa ricerca riuscirono a dimostrare che un'impurità era la causa della radioattività della pechblenda; la isolarono e a questa nuova sostanza milioni di volte più radioattiva della pechblenda diedero il nome di radio.

Ben presto si scoprì che tutti gli atomi con peso atomico superiore al bismuto erano radioattivi, cioè emettevano naturalmente radiazioni. Più precisamente, sono radioattivi quegli isotopi il cui nucleo è instabile e l'instabilità è dovuta al particolare rapporto di neutroni/protoni: se il valore di questo rapporto supera 1.54 allora il nucleo è instabile. I nuclei degli atomi con numero atomico superiore al bismuto hanno quasi tutti dei nuclei instabili, ma anche isotopi "pesanti" di elementi leggeri possono essere radioattivi: per esempio, il trizio ₁H³, isotopo dell'idrogeno con due neutroni di troppo, presenta un rapporto superiore a 1.54 e quindi è radioattivo.

Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio di Parigi

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IL CARBONIO 14

Spesso lo scienziato e lo storico vorrebbero sapere a quando risalgono fossili, reperti archeologici, antichi documenti, resti animali, vegetali e umani. Esiste una particolare metodologia basata sulla misura della radioattività naturale, che permette la datazione degli oggetti di natura organica: il metodo del carbonio 14.

gni elemento in natura è presente come un miscuglio di isotopi diversi, alcuni dei quali radioattivi. Non fa eccezione il carbonio, l'elemento base di tutte le strutture biologiche, il cui isotopo più comune è formato da 6 protoni e altrettanti neutroni: il carbonio 14 (6 protoni + 8 neutroni) è il suo isotopo radioattivo e si forma naturalmente negli strati alti dell'atmosfera per il bombardamento di raggi cosmici a cui sono sottoposte le molecole di anidride carbonica nell'aria. Le piante fissano l'anidride carbonica con carbonio 14 nelle molecole di cellulosa e glucosio che sintetizzano con i processi fotosintetici: gli animali poi mangiano le piante per cui assumono carbonio 14. In pratica, tutte le specie viventi incorporano del carbonio radioattivo e, finché mangiano, la percentuale dell'isotopo nel loro organismo è pressochè costante. Con la morte, a causa del decadimento radioattivo naturale, la percentuale di carbonio 14 rimasta nei resti dell'animale o della pianta comincia a diminuire: dato che il tempo di dimezzamento del carbonio 14 è di 5730 anni, andando a misurarne la presenza in campioni di natura organica (anche manufatti di ossa, carta, pergamene, papiri ecc.) si può datare il periodo nel quale l'animale o la pianta vivevano, oppure quando un oggetto è stato costruito. Per esempio, se si trova la metà del carbonio 14 normalmente presente alla morte di un essere vivente, significa che il campione risale a 5730 anni orsono.

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RAGGI ALFA, BETA E GAMMA

Chiudiamo una piccola quantità di radio dentro un contenitore di piombo dalle pareti spesse e pratichiamo un piccolo foro; da esso uscirà un sottile fascio di radiazioni che faremo passare tra i poli di un potente magnete. Usando opportuni strumenti di rivelazione e rilevamento (contatori Geiger), scopriremo che il sottile raggio si sarà diviso in tre diverse componenti:

- radiazioni α (alfa). Dato che sono deviate dal campo magnetico della calamita, le particelle alfa sono cariche elettricamente e, inoltre, le loro dimensioni devono essere notevoli poiché non percorrono più di 7 cm nell'aria e non riescono ad attraversare una sottile lamina di metallo: infatti, una particella alfa è un nucleo di un atomo di elio, formato da due protoni e due neutroni, senza elettroni. La carica elettrica di una particella alfa è positiva;

- radiazioni ß (beta). Sono anch'esse deviate dal campo magnetico ma in direzione opposta rispetto alle particelle alfa, quindi sono cariche negativamente. La loro capacità di penetrazione è molto maggiore di quella delle particelle alfa: riescono a percorrere parecchi centimetri in aria e a superare più strati sottili di metallo. Una particella beta è un elettrone derivante dalla trasformazione di un neutrone in protone; durante il processo di decadimento neutronico si liberano due fotoni di raggi γ e una terza particella di massa quasi nulla ed elettricamente neutra: il neutrino;

- radiazioni γ (gamma). Non viene deviato dal campo magnetico e ha la stessa natura dei raggi X, cioè è una radiazione elettromagnetica. Il potere di penetrazione dei raggi γ è enorme: possono percorrere vari metri in aria e superare lastre di metallo di notevole spessore.

Schema: i tre tipi di emissioni radioattive

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DECADIMENTO RADIOATTIVO

Se un atomo emette un raggio α, formato da due protoni e due neutroni, modifica sia il numero di massa che il suo numero atomico perché il nucleo viene privato sia di protoni che di neutroni. Allo stesso modo, anche un atomo che emette un raggio ß modifica il suo numero atomico.

Un atomo di uranio 238 che emette una particella alfa si trasformerà in torio 232 (Z=90):

 92U238 -> 90Th234+2He4

A sua volta il torio è radioattivo ed emette una particella beta:

90Th23491Pa234+1e0+2T+neutrino

cioè il torio aumenta il suo numero atomico di un'unità e si trasforma in protoattinio, anch'esso radioattivo.

Di trasformazione in trasformazione, l'originale atomo di uranio si trasformerà in piombo, metallo non radioattivo. Questo processo prende il nome di decadimento radioattivo e la serie di trasformazioni a cui va incontro l'uranio viene definita serie dell'uranio. Esistono anche altre serie radioattive come quelle del torio e dell'attinio.

Naturalmente, queste trasformazioni avvengono in un certo tempo: si definisce tempo di dimezzamento il tempo necessario affinché la metà degli atomi originari si trasformi nell'ultimo e più stabile atomo della serie radioattiva: perché la metà degli atomi di un campione di uranio 238 si trasformi in piombo, dovranno passare 4,5 miliardi di anni.

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UN PROIETTILE PER SPEZZARE L'ATOMO

I fisici ebbero l'idea di usare le radiazioni per spezzare i nuclei degli atomi. Le radiazioni α, tuttavia, non riescono ad avvicinarsi ai nuclei più pesanti a causa della loro carica positiva a meno di non essere accelerate; riescono invece a spezzare i nuclei degli atomi leggeri. In particolare, quando le particelle alfa urtano un atomo di berillio o di boro viene emesso un neutrone libero. Il neutrone ha il vantaggio di essere privo di carica per cui non ha difficoltà ad avvicinarsi ad un qualsiasi nucleo per spezzarlo ed è più adatto per essere usato come "proiettile" nucleare. Un neutrone veloce passa attraverso un nucleo senza spezzarlo, ma se prima viene rallentato da atomi più leggeri allora riesce a spezzare i nuclei degli atomi che interessano. Le sostanze capaci di rallentare i neutroni si chiamano moderatori.

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GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE

Si è detto come i neutroni e gli ioni positivi, cioè le particelle alfa, possano rompere il nucleo di un atomo; mentre i primi viaggiano a una tale velocità che devono essere addirittura rallentati usando opportune sostanze moderatrici, al contrario i secondi devono essere accelerati per vincere le forze repulsive che tendono a deviare il "proiettile" dal bersaglio.

Per questo motivo gli scienziati hanno costruito varie apparecchiature nelle quali le particelle alfa vengono sottoposte a campi magnetici ed elettrici che ne aumentano la velocità e le guidano al bersaglio: gli acceleratori di particelle.

Il più vecchio acceleratore di particelle è il generatore di Van de Graaf, una macchina particolare in grado di produrre differenze di potenziale elettrico di milioni di volt. Le cariche elettrostatiche si accumulano in due grandi sfere poste ad una certa distanza; quando la scintilla scocca, le particelle ricevono un impulso ed una spinta notevole.

Acceleratori più moderni e più usati dai fisici nucleari per i loro studi sono gli acceleratori lineari, i ciclotroni e i sincrotroni.

Come spiega lo stesso nome, un acceleratore lineare è un lunghissimo tubo costituito da varie sezioni metalliche separate da spazi vuoti; all'interno delle sezioni metalliche esiste un campo elettrico e la particella riceve un impulso ogni volta che attraversa lo spazio vuoto.

I ciclotroni hanno la forma di una torta tagliata a metà le cui due fette sono separate di poco e nelle quali esiste un campo magnetico: le particelle da accelerare sono immesse al centro del ciclotrone e ricevono un impulso ogni volta che passano per lo spazio vuoto tra le due "fette". Via via che aumentano la loro velocità, per effetto della forza centrifuga si allontanano dal centro percorrendo una spirale.

Un sincrotone è invece un enorme ciambella cava, tecnicamente un toroide, in cui le particelle vengono accelerate da un campo elettrico. I sincrotoni sono i più efficaci acceleratori di particelle.

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RADIOISOTOPI ARTIFICIALI

Non sempre i nuclei bombardati di particelle α si rompono; nel 1934 Irène Curie, figlia di Marie e Pierre Curie, e suo marito Frédéric Joliot si accorsero che atomi di alluminio esposti a radiazioni di tipo α si combinavano con esse e davano luogo ad un isotopo radioattivo del fosforo non presente in natura e con un tempo di dimezzamento di soli tre minuti: i prodotti di decadimento degli isotopi del fosforo erano atomi di silicio e un positone (protone libero o ione idrogeno H+). Dal giorno di quella scoperta gli isotopi radioattivi di vari elementi sono stati ottenuti in laboratorio; essi vengono utilizzati per scopi pratici nei laboratori di ricerca medica e biologica e l'introduzione di metodologie che li riguardano ha permesso scoperte fondamentali nel campo delle scienze della vita.

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LA FISSIONE NUCLEARE

Normalmente, quando un nucleo cattura un neutrone emette una particella subatomica; i nuclei dell'uranio 235 e del plutonio ₉₄Pu²³⁹, invece, si spezzano in due parti esattamente uguali. Il plutonio non esiste in natura ma viene ottenuto per arricchimento dell'uranio 238, cioè per acquisizione di un neutrone con successiva emissione beta e passaggio a nettunio 93 N_p²³⁹ poi, per altra emissione beta, passaggio a plutonio.

Il processo di fissione nucleare, cioè di rottura di nuclei pesanti in seguito al bombardamento neutronico, produce: nuclei di atomi più leggeri, raggi γ, l'emissione di altri due neutroni e una quantità enorme di energia.

I neutroni prodotti da una prima fissione nucleare ne possono provocare altre colpendo gli atomi di uranio 235 o di plutonio più vicini: si verifica così una reazione a catena incontrollabile, che dà luogo ad un'esplosione atomica. In realtà, una fissione che avvenga in un piccolo campione di uranio non può dar luogo ad una reazione a catena perché i due neutroni prodotti incontrano con più facilità atomi di uranio 238, molto più numerosi degli atomi di uranio 235 che rappresentano solo l'1% del campione.

Per ottenere una reazione a catena occorre arricchire l'uranio naturale con uranio 235 e plutonio; inoltre, per limitare il fenomeno di dispersione dei neutroni, bisogna aumentare la massa del campione fino ad un certo valore chiamato di massa critica. Una quantità di uranio con massa superiore a quella critica, se colpita da un neutrone, può esplodere.

Una bomba atomica è costituita da due blocchi di uranio arricchito entrambi di massa inferiore a quella critica; avvicinandoli si ottiene un campione di massa superiore a quella critica nel quale si scatena una reazione a catena violentissima, causa dell'esplosione.

Il processo di fissione può procedere in maniera controllata se il "combustibile nucleare" è arricchito moderatamente, cioè se la percentuale di uranio 235 resta bassa, e se tra le masse di reazione è interposta una sostanza moderatrice, come la grafite, il boro e il cadmio. L'energia che si ottiene da un processo controllato di fissione è comunque elevatissima; le moderne centrali nucleari per la produzione dell'energia elettrica sfruttano la fissione nucleare.

(Dall'atomo di uranio 235 alla fissione nucleare

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LA FUSIONE

Finora abbiamo parlato della divisione di grandi nuclei di elementi molto pesanti, ma è anche possibile ricavare energia da atomi molto più leggeri.

Normalmente, per spezzare piccoli nuclei occorre fornire energia: tuttavia, se si riescono a creare le condizioni perché due nuclei piccoli si uniscano, si ottiene energia.

Una simile reazione nucleare prende il nome di fusione e avviene spontaneamente nelle stelle. Per esempio, nel nostro sole, grandi quantità di idrogeno allo stato di plasma (il quarto stato della materia) reagiscono continuamente per produrre elio, protoni liberi, positoni e neutrini nonché l'enorme quantità di calore e luce che ogni giorno, da millenni, riscalda e illumina la terra. Tali reazioni sono possibili grazie alla temperatura che esiste sul sole, cioè circa 17 milioni di gradi Kelvin; alcuni scienziati hanno stimato che la quantità di idrogeno contenuta nel sole sarà sufficiente per farlo risplendere per un altro migliaio di anni. Nel suo piccolo, l'uomo ha tentato di riprodurre il processo di fusione che avviene nel sole e che, per le alte temperature in gioco, è anche detto processo termonucleare. È stata così costruita un'arma potentissima: la bomba ad idrogeno. Una bomba H è molto più potente di una bomba nucleare convenzionale. In teoria una bomba H non produce radioattività residua, quindi dovrebbe essere meno dannosa di una bomba atomica. Purtroppo però, per innescare una reazione termonucleare, occorre raggiungere temperature elevatissime che si possono ottenere solo scatenando una reazione di fissione nucleare incontrollata. Questo significa che per far scoppiare una bomba H bisogna prima far esplodere una bomba atomica. Dopodiché, il processo termonucleare procederà con la sua stessa energia. Le centrali nucleari del futuro funzioneranno con processi di fusione nucleare controllata, un metodo che tutti gli scienziati ritengono ottimale in quanto non comporta i problemi che si devono invece affrontare con le attuali centrali nucleari a fissione. Per ora, le difficoltà tecniche per la progettazione e la costruzione di centrali a fusione sono ancora insormontabili.

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