Esplorazione dell'atomo: dalla struttura alle applicazioni energetiche

La struttura dell'atomo

L’atomo è molto piccolo e contiene un nucleo al quale deve tutto il suo peso. La moderna fisica, con l’esplorazione dell’atomo, ha rivelato molte cose meravigliose su di esso. infatti si è scoperto che, oltre ai protoni, esistono particelle di carica elettricamente neutra chiamate neutroni, la cui somma è uguale a quella dei protoni. Insieme formano il numero di massa. All’interno del nucleo e fra nuclei diversi si esercitano particolari forze che sviluppano una energia detta ”energia nucleare”. Queste forze permettono al nucleo di non disintegrarsi nonostante l’enorme forza repulsiva esistente tra protoni nucleari.

Scoperta della radioattività

Un isotopo è un atomo di uno stesso elemento chimico, e quindi con lo stesso numero atomico Z ma con differente numero di massa A e quindi differente massa atomica M. La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a parità di numero atomico. Stessi isotopi che differiscono solamente per lo stato eccitato vengono definiti isomeri. Nel 1896 il fisico francese H. Becquerel scoprì che dai minerali di uranio si sprigionavano raggi un po’ simili a quelli scoperti alcuni anni prima dal tedesco G. Rontgen e capaci di penetrare perfino nei metalli. Questo fenomeno fu studiato da Marie Curie insieme col marito Pierre Curie. Insieme riuscirono ad estrarre da un minerale d’uranio, un elemento 100 volte più attivo dell’uranio. A tale elemento fu dato il nome di “radium” cioè irradiante. In seguito vennero scoperte altre sostanze che emanavano radiazioni analoghe spontaneamente a quelle del radio e vennero chiamate: “sostanza radioattive”. Il processo si irradiazione del radio e delle altre sostanze radioattive si chiama ”radioattività”.

Reazioni nucleari e fissione

Questo è un fenomeno che ha origine nel nucleo atomico e si manifesta con l’emissione spontanea di particelle e radiazioni nucleari denominate dal fisico inglese Rutheford con le prime lettere dell’alfabeto greco:

raggi α, raggi β, raggi γ. Le sostanze radioattive, emettendo spontaneamente radiazioni, liberano energia e si disintegrano. Il combustibile usato nelle reazioni nucleari è l’uranio. I giacimenti più ricchi d’uranio si trovano in Canada e nel Congo, in Italia invece, si possono trovare in Sardegna, Calabria, Trentino e Piemonte. Nelle Reazioni Nucleari si usa l’uranio 235. L’indagine scientifica ha dimostrato che il neutrone può essere espulso dal nucleo atomico. Un gruppo di fisici italiani con a capo Enrico Fermi usarono il neutrone come proiettile per bombardare gli altri atomi nel 1934 scoprirono che questo era molto efficace. Il neutrone si insedia facilmente nel nucleo atomico colpito e il più delle volte lo rende radioattivo e, di conseguenza, ne muta la natura chimica. Per esempio, il rame bombardato con neutroni può diventare zinco, il platino oro, etc. Fra le sostanze bombardate ci fu anche l’uranio e si ottennero risultati che allora fu difficile interpretare. Negli U.S.A Fermi continuò a studiare l’effetto dei neutroni di uranio e scoprì che a volte il nucleo dell’uranio, colpito da un neutrone, si spezza in due nuclei più piccoli (fissione). I prodotti della fissione (bario e cripto) hanno complessivamente una massa inferiore a quella del nucleo iniziale; la differenza di massa si trasforma in energia che viene liberata e che può essere utilizzata. Il nucleo dell’atomo di uranio spezzandosi, quindi, emette altri neutroni. Questi, a loro volta, possono colpire altri nuclei di uranio e disintegrarli e in questo caso si stabilisce un reazione a catena. Per regolare la reazione a catena si usano degli impianti chiamati reattori nucleari o pile atomiche. La combustione del reattore nucleare è sostituita dal processo di fissione. Nel reattore la reazione a catena è controllata in maniera che l’emissione di neutroni sia talmente rallentata e regolare da poterla sfruttare . In tal modo si ottiene energia termica che può essere trasformata in elettricità. La reazione si mantiene costante soltanto se i neutroni emessi vengono rallentati al di sotto della velocità iniziale. Le sostanze che provocano il rallentamento dei neutroni si chiamano moderatori. Il primo reattore fu realizzato a Chicago sotto la guida di Fermi. Le radiazioni nucleari è noto che provocano danni agli organismi viventi. Oltre al processo di fissione, ne esiste uno che consiste nella sintesi di due nuclei che si fondono insieme dando origine ad un nucleo di cui la massa finale è minore della somma delle masse dei due nuclei reagenti. Tale differenza di massa si trasforma in energia. Per questa reazione di fusione nucleare si richiede un accostamento di più nuclei atomici. Ma poiché i nuclei sono carichi positivamente e si respingono a vicenda, per associarsi occorre molta energia cinetica che si acquista solo a temperature elevate. Tali reazioni di sintesi vengono chiamate reazioni termonucleari. Finora le reazione termonucleari sono state realizzate soltanto con la bomba a idrogeno. I gravissimi danni della bomba ad uranio e della bomba a idrogeno sono provocati dall’esplosione, dalle radiazioni calorifiche e dalle radiazioni radioattive. In seguito all’esplosione si produce una forza d’urto che uccide persone e fa crollare edifici. Le radiazioni calorifere portano l’ambiente a temperatura così elevata che incenerisce tutto. Le radiazioni radioattive corrispondono alla contaminazione dell’aria, dell’acqua, del suolo e degli alimenti.

Queste radiazioni, col tempo, provocano malattie e tumori come la leucemia e l'anemia.

Energia atomica e applicazioni

L’energia atomica che viene prodotta nei reattori nucleari come risultato dalla reazione a catena, può essere utilizzata per generare energia elettrica, per propulsione e altri processi che richiedono una sorgente di calore. Così, per esempio, furono costruiti sommergibili a propulsione nucleare come il “Nautilus”. Però ci sono difficoltà a distruggere le ceneri radioattive che derivano dalla disintegrazione dell’uranio. L’energia atomica può essere utilizzata anche per la preparazione di sostanze radioattive che sono impiegate come indicatori radioattive nella ricerca dell’industria. Il metodo degli indicatori radioattivi si basa sul fatto che gli isotopi radioattivi e quelli inattivi di un elemento si comportano in maniera identica dal punto di vista chimico. Tale metodo è detto anche degli atomi marcati, perchè gli atomi degli isotopi radioattivi si possono rintracciare come se fossero marcati, come se ognuno portasse un cartellino che lo distingue.