Applicazioni dell'atomo tra potenzialità e paure

Applicazioni

dell'atomo tra

potenzialità e paure

Benetti Giovanni

Classe 5mb

Anno scolastico 2007/08

Liceo Scientifico “Nicolò Tron” ­ Schio

Indice

1. Premessa p. 1

2. Chimica – Fisica: le particelle subatomiche p. 3

2.1: Storia della conoscenza dell'atomo p. 4

2.2: La materia p. 5

2.3: Le molecole p. 5

2.4: L'atomo p. 5

2.5: La struttura del nucleo: i quark p. 6

2.6: La corrispondenza massa­energia p. 8

2.7: Decadimenti radioattivi p. 8

2.8: La velocità di decadimento p. 9

2.9: Meccanismo delle reazioni nucleari artificiali p. 9

2.10: La fissione nucleare p. 10

2.10.1: I reattori nucleari a fissione p. 11

2.11: La fusione nucleare p. 13

2.11.1: La fusione a freddo p. 14

3. Biologia: La pet­tac e la radioterapia p. 15

3.1: La medicina nucleare p. 16

3.2: La tomografia ad emissione di positroni p. 16

3.2.1 Come funziona p. 16

3.2.2 Come viene applicata p. 18

3.3: La Radioterapia p. 19

3.3.1: Come funziona p. 19

3.3.2: Come viene applicata p. 19

3.3.3: Classificazione e utilizzi p. 20

4. Letteratura italiana: Italo Svevo e La coscienza di Zeno p. 21

Letteratura inglese

5. : The Weapon di Fredric Brown p. 26

6. Bibliografia e Sitografia p. 29

1 PREMESSA

Ho scelto questo argomento per la tesina perché mi incuriosiscono molto le strutture elementari

della materia e le modalità con cui queste particelle si aggregano per formare il mondo di cui

facciamo parte e per formare anche noi stessi. Posso dire che, addentrandomi nell'argomento, ho

risolto molti dubbi riguardo al modello atomico solitamente noto, ma altrettanti dubbi mi sono

scaturiti riguardo al funzionamento di particelle infinitesimali quali i quark.

Un altro motivo di interesse è stato l'accesissimo dibattito attivo ormai da molti anni riguardo la

sicurezza delle centrali nucleari e lo smaltimento delle sostanze radioattive, come le scorie

provenienti dalla fissione o le centrali dismesse. Seguendo questo dibattito è inevitabile rilevare i

vantaggi e gli svantaggi dell'energia atomica da fissione e le varie correnti di pensiero. Infatti c'è

una grande preoccupazione riguardo a questo tipo di energia e vi sono molte opinioni diverse sulla

convenienza sia a livello economico che ambientale. Bisogna ammettere che, considerando tutti gli

eventi legati al rispetto della natura, si profila un futuro inquietante se questa tecnologia non verrà

gradualmente abbandonata.

Di grande interesse sono stati anche gli utilizzi in campo medico e biologico delle scoperte

atomiche, a partire dalle apparecchiature ospedaliere come la PET (Tomografia ad emissione di

positroni) dove gli atomi radioattivi vengono utilizzati come traccianti, alla cura delle cellule

cancerose grazie agli isotopi radioattivi cioè tramite la radioterapia.

Non di minore rilevanza sono infine le paure, spesso inconsce, che numerosi personaggi hanno

provato rispetto a tecnologie difficilmente comprensibili senza conoscenze molto ampie e

approfondite. Queste sono paure provate non solo per il difficile controllo di queste reazioni ma

soprattutto per il possibile utilizzo per fini malvagi di queste tecnologie. Nella letteratura italiana,

infatti, vi sono molteplici testimonianze di queste paure, a partire da una previsione di Svevo fino

ad arrivare alla concezione di arma di distruzione di massa di Montale. Similmente in letteratura

inglese vi sono degli interessantissimi testi, che ruotano attorno al timore per per la creazione di

armi potentissime, come raccontato da Frederic Brows nella sua storielle “The Weapon”. Questo

approccio è condiviso da quanti, nel dibattito odierno sostengono il bando del nucleare, e

conoscerlo è essenziale per comprendere a fondo le scelte, a partire da quella del referendum dell'87

con il quale è stato arrestato lo sviluppo di questa tecnologia in Italia. Dopotutto, sebbene sia

diffuso il luogo comune che l'energia nucleare sia economicamente vantaggiosa, ciò non è

supportato da nessuno studio scientifico. Questa è solo una delle illusioni con cui si tenta di trovare

scorciatoie per la soluzione dei problemi energetici: spesso, purtroppo, non ci rendiamo conto che

l'energia da fissione nucleare pulita, sicura ed economica che ci viene presentata non è altro che un

utopia le cui più grandi lacune ambientali ed economiche sono state nascoste. 1

2

Chimica / Fisica:

Le particelle

subatomiche 3

2.1 STORIA DELLA CONOSCENZA DELL'ATOMO:

John Dalton: nel 1803 tenta di descrivere con una teoria la struttura atomica della materia, formulando le

seguenti leggi:

1. La materia è formata da piccolissime particelle indivisibili e

indistruttibili chiamate atomi.

2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la

stessa massa.

3. L'atomo di un elemento non può essere trasformato nell'atomo

di altri elementi.

4. Gli atomi di un elemento si legano agli atomi di altri elementi

solo per numeri interi (ad esempio, l'ossigeno per formare

l'acqua si lega con due atomi di idrogeno e non con un atomo

e un altro mezzo atomo).

5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti: essi si

trasferiscono interi da un composto ad un altro.

I più clamorosi errori di questa teoria atomica sono il fatto di

considerare l'atomo come una microscopica sfera completamente

piena e indivisibile. Infatti esso non è né indivisibile, ed è quasi John Dalton

interamente vuoto.

Joseph John Thomson: deduce che i raggi catodici sono composti da particelle di carica negativa, che

chiama corpuscoli, e che oggi sono noti come elettroni. Immagina inoltre che queste particelle siano dei

costituenti dell'atomo. Ernest Rutherford: allievo di Thomson, dimostra che la radioattività è la

spontanea disintegrazione degli atomi, e nota che la velocità di

decadimento delle sostanze segue una andamento esponenziale. Scopre

l'esistenza del nucleo atomico dove è relegata la carica positiva, e la massa

dell'atomo, e riesce a trasmutare un elemento chimico in un altro ( Azoto

14

in Ossigeno )

17

Niels Henrik David Bohr: in base alle teorie di Rutherford, pubblica il

suo modello della struttura atomica introducendo la teoria degli elettroni

che viaggiano in orbite ben definite, che corrispondono ai diversi stadi di

energia intorno al nucleo dell'atomo. Bohr, inoltre, introduce l'idea che un

elettrone potrebbe cadere da un'orbita di alta energia a una con energia più

bassa, emettendo un fotone di energia discreta.

James Chadwick: scopre, durante degli

Ernest Rutherford esperimenti in collaborazione con

Rutherford, l'esistenza del neutrone. Collabora alla creazione delle prime

bombe nucleari.

Carl David Anderson: nel 1932 scopre l'esistenza dell'elettrone positivo o

positrone (e ) cioè la corrispettiva antimateria dell'elettrone (e ). Ipotizza che

+ ­

anche per i protoni esistano delle particelle “associate”, con simili

caratteristiche ma con carica opposta.

Owen Chamberlain Emilio Gino Segrè :

ed dimostrano l'esistenza degli

antiprotoni, con massa uguale ai protoni ma carica opposta. Queste particelle

vengono notate all'interno dei grandi acceleratori. Owen Chamberlain

Murray Gell­Mann: Nel 1964 afferma che neutroni e protoni sono per

la maggior parte spazio vuoto e sono formati da componenti ancora più piccole, i quark. Definisce

inoltre la carica, lo spin e la stranezza del quark e collabora per sviluppare molte teorie fisiche,

prima tra tutte la Cromodinamica Quantistica (QCD) che studia le interazioni tra quark e gluoni

(forza nucleare forte). 4

2.2 LA MATERIA

Già i primi grandi pensatori si sono posti degli interrogativi per quanto riguarda la divisibilità

della materia, ovvero si sono chiesti fino a che livello infinitesimale le sostanze mantengono le loro

caratteristiche peculiari. Alcune ipotesi seguite alla pubblicazione dell'idea dell'atomo di Bohr,

ipotizzarono che la materia fosse formata da conglomerati di atomi. Questi assemblamenti, di cui

oggi è stata dimostrata l'esistenza, sono chiamati molecole.

2.3 LE MOLECOLE

Tutto il mondo che ci circonda è formato da molecole, cioè da atomi legati tra loro. Infatti la

molecola è, per definizione, la più piccola unità strutturale di un composto chimico non ionico che

può esistere allo stato libero e che ne mantiene le

medesime proprietà chimiche. Nell'immagine a lato è

rappresentata la struttura di una molecola di saccarosio,

dove le sferette rappresentano gli atomi e i cilindri

rappresentano i legami tra atomi. Si può facilmente notare

che, per costituire questa molecola, sono necessari solo tre

tipo di atomi, quelli grigi (carbonio), quelli rossi

(ossigeno) e quelli bianchi (idrogeno). Le molecole neutre

subiscono interazione tra loro secondo la legge di

gravitazione di ampiezza rilevante solamente quando vi

sono grandi quantità di materia, mentre quelle polari o non

neutre subiscono anche forze di natura elettrica. Illustrazione 1: Molecola di saccarosio

All'interno delle molecole le forze tra atomi sono di natura

strettamente elettromagnetica. 2.4 L'ATOMO

L'atomo è composto da un nucleo carico positivamente e

da un certo numero di elettroni, carichi negativamente,

che gli vibrano attorno senza un'orbita precisa (l'elettrone

si dice infatti delocalizzato), nei cosiddetti gusci

elettronici, ovvero il volume dove è massima (90%) la

probabilità di presenza dell'elettrone.Gli elettroni sono

classificati nel gruppo dei leptoni, particelle elementari

con massa scarsissima. Il nucleo è composto da protoni,

che sono particelle cariche positivamente, e da neutroni,

che sono particelle prive di carica: protoni e neutroni sono

detti nucleoni, mentre il nucleo è genericamente chiamato

nuclide. In proporzione, se si considera il nucleo grande

come una mela, gli elettroni gli ruotano attorno ad una

distanza pari a circa un chilometro; viceversa un nucleone ha massa quasi 1800 volte superiore a

quella di un elettrone. La forza che lega l'elettrone al suo nucleo è di natura elettromagnetica in

quanto nucleo ed elettroni sono di cariche opposte e quindi si attraggono. L'immagine riportata a

lato è una rappresentazione esplicativa fuori scala della struttura dell'atomo di elio, composto da due

neutroni (verdi), due protoni (blu) e da due elettroni.

Classificazione degli atomi:

Ogni atomo è caratterizzato da due parametri specifici:

Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo.

● Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo, che corrisponde al numero di

● elettroni esterni ad esso. Determina caratteristiche chimiche ben precise: per questo il

numero atomico determina anche il nome della sostanza.

Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico.

Sinteticamente gli atomi vengono rappresentati da una sigla indicante il nome, preceduta in apice

5

dal numero di massa (A) e in Pedice dal numero atomico (Z), come nell'esempio riportato.

2 He (Elio, A=4, Z=2, 2 neutroni)

4

Spesso in questa notazione schematica viene tralasciato il numero atomico in quanto è già

identificato con la sigla dell'atomo.

Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale, ma diverso numero di

massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprietà chimiche. Un esempio di ciò è

l'atomo di idrogeno: in natura è presente per lo più formato da un protone ed un elettrone. Vi è però,

in minore quantità, anche il deuterio che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone (con

esso si forma l'acqua pesante) e il trizio (estremamente raro) formato da un protone, due neutroni ed

un elettrone. Chimicamente, idrogeno, deuterio e trizio hanno però identiche proprietà.

2.5 LA STRUTTURA DEL NUCLEO: I QUARK

Dopo aver spiegato come facessero gli elettroni ad essere “legati” al nucleo, gli scienziati si posero

subito il problema di come facessero invece i protoni a rimanere segregati in uno spazio così

ridotto, pur avendo carica dello stesso segno. A questa domanda fu data risposta da Hideki Yukawa

che riuscì ad identificare una forza che si oppone alla forza repulsiva elettrica, spiegata

completamente solo con l'introduzione dei quark. Infatti, nel 1964 Murray Gell­

Mann rivoluzionò ulteriormente l'idea di nucleo atomico dimostrando l'esistenza