Comprendere l'energia nucleare e le sue implicazioni

Energia nucleare

L’energia nucleare è quella che si può sviluppare dal nucleo dell’atomo.

L’atomo si può paragonare ad un sistema planetario, in cui il sole è rappresentato dal nucleo ed i pianeti dagli elettroni che gli ruotano intorno. Il volume dell’atomo è dato dagli elettroni che sono distribuiti sulle diverse “orbite”, mentre la massa si concentra nel nucleo. L’energia nucleare riguarda i fenomeni che avvengono all’interno del nucleo, mentre gli elettroni ne restano estranei.

Qual è la struttura dell'atomo e quali sono gli isotopi?

Il nucleo è costituito da protoni e da neutroni: i protoni sono cariche elettriche positive(+), i neutroni sono particelle elettricamente neutre. Il numero dei protoni costituisce il numero atomico, mentre la somma del numero dei protoni e dei neutroni costituisce il numero di massa (detto anche “peso atomico”).

Gli elettroni sono particelle di massa trascurabile, così che la loro eventuale perdita non incide sulla massa complessiva dell’atomo; essi, tuttavia, sono dotati di una carica elettrica negativa (-) che, in valore assoluto, è uguale a quella dei protoni. Poiché essi sono in numero uguale ai protoni, l’atomo nel suo complesso è un’entità elettricamente neutra.

Il numero atomico individua la specie chimica e ne determina le proprietà chimiche; dunque, tutti gli elementi aventi lo stesso numero atomico (ossia uguale numero di protoni) hanno le stesse proprietà chimiche: se esso cambia, cambia la specie chimica. Due nuclei della stessa specie (e quindi di uguali proprietà chimiche) possono però avere un diverso numero di massa (cioè diverso numero di neutroni). Si parla in tal caso di isotopi.

Radioattività e legge di conservazione

In natura vi sono isotopi instabili, detti radioattivi(o radioisotopi o radionuclidi). Questi tendono a raggiungere la stabilità trasformandosi in nuclei di altri elementi aventi numero di massa inferiore, dunque, attraverso una perdita di materia. Tale fenomeno contraddice la legge di conservazione della massa così come enunciata da Lavoisier, il chimico francese vissuto nel XVIII secolo, per il quale “in una reazione chimica la massa totale dei reagenti è esattamente uguale alla massa totale dei prodotti”. In realtà, con la scoperta della radioattività tale legge va modificata in legge di conservazione della massa/energia, in base alla quale “la massa e l’energia possono essere convertite l’una nell’altra senza perdita netta di massa-energia”. In pratica, la massa che si perde è trasformata in energia.

La relazione tra la massa della materia scomparsa e l’energia sviluppata è espressa dall’equazione di Einstein:

E=MxC^2

Dove: E = energia

M = massa

C = velocità della luce

Decadimento radioattivo e radiazioni

Dunque, la trasformazione di nuclei instabili in nuclei di elementi diversi, stabili o più stabili (si parla di “trasmutazione” o di “decadimento radioattivo”), avviene con produzione di energia. Questa si libera sotto forma di radiazioni ionizzanti, ossia radiazioni in grado di trasformare gli atomi della materia con cui vengono a contatto (originariamente neutri) in particelle elettricamente cariche, dette “ioni”. Ciò avviene in quanto l’energia contenuta nelle radiazioni stesse è tale da consentire l’allontanamento di un elettrone dal suo atomo di appartenenza.

Tipi di radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti si distinguono in:

- Radiazioni alfa

- Radiazioni beta

- Raggi X

- Raggi Gamma

- Protoni

- Neutroni
La radioattività alfa consiste nell’emissione, da parte del nucleo, di una particella pesante, detta particella alfa, formata da due protoni e due neutroni: tale particella è il nucleo dell’elio(He). L’elemento che decade subisce un calo del numero atomico di due unità e del numero di massa di quattro unità. Le radiazioni alfa, molto pericolose, hanno uno scarso potere di penetrazione nella materia (posso essere fermate da un foglio di carta), per cui non superano la barriera cutanea; di conseguenza, il loro ingresso nell’organismo può avvenire solo attraverso l’ingestione o l’inalazione.

Radioattività beta e raggi gamma

La radioattività beta consiste nell’emissione di un elettrone da parte di un neutrone, che così si trasforma in protone: il numero di massa rimane immutato, rimanendo inalterata la somma di protoni e di neutroni, mentre il numero atomico cresce di un’unità, originando una nuova specie chimica. La radioattività beta può comportare anche l’emissione di positroni, ossia di particelle cariche positivamente emesse da un protone che si trasforma in neutrone (questo tipo di emissione è, però, meno frequente). I raggi beta sono più penetranti di quelli alfa ma vengono fermati da una sottile lamina metallica. Nei tessuti corporei posso penetrare per 1-2cm.

La radioattività x e quella gamma consistono nell’emissione da parte del nucleo di radiazioni elettromagnetiche della stessa natura della luce, ma di frequenza e , quindi, di energia molto più elevata. Tali raggi hanno una notevole capacità di penetrazione della materia e possono essere fermati solo con l’impiego di lamiere metalliche (es. piombo) di grande spessore o con calcestruzzo; ad essi non è associata materia.

Protoni e neutroni

I protoni hanno attività ionizzante molto intensa e localizzata.

L’emissione di neutroni, data la natura di questi ultimi, fa diminuire il numero di massa ma non il numero atomico, per cui comporta la trasformazione di un isotopo in un altro isotopo dello stesso elemento. I neutroni hanno caratteristiche di penetrazioni variabili, ma in genere sono molto penetranti.