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 massa-energia 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 PET 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 la creazione di armi potentissime, come raccontato da Frederic Brown nella sua storiella “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

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Chimica / Fisica: le particelle subatomiche

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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:

• La materia è formata da piccolissime particelle indivisibili e indistruttibili chiamate atomi.
• Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa.
• L'atomo di un elemento non può essere trasformato nell'atomo di altri elementi.
• 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).
• 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 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 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 ed Emilio Gino Segrè: 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 Gell-Mann: 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 tipi 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 dal numero di massa (A) e in pedice dal numero atomico (Z), come nell'esempio riportato.

⁴₂He (Elio, A=4, Z=2, 2 neutroni)

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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 di particelle costituenti i protoni e i neutroni. In particolare Murray affermò che i protoni e i neutroni sono formati da tre particelle elementari chiamate quark.

Nella vita comune vi sono solo due tipi di quark:

• Up (carica elettrica +2/3).
• Down (carica elettrica −1/3).

Illustrazione 2: Protone

Com'è illustrato nel disegno a fianco i protoni sono formati da 2 quark up e 1 quark down (carica totale = +1), mentre i neutroni sono formati da 1 quark up e 2 quark down (carica totale nulla).

Il disegno indica inoltre un'altra caratteristica dei quark: il colore che può essere “rosso”, “verde” o “blu”. Questa caratteristica non ha nulla a che vedere con il colore inteso dal punto di vista ottico, ma viene chiamata così per comodità. Il modo in cui queste proprietà fanno interagire i quark è studiato dalla Cromodinamica Quantistica, e determina la forza nucleare forte che lega il nucleo.

Illustrazione 3: Neutrone

Sperimentalmente è stato dimostrato che per ogni quark o leptone esiste la corrispondente antimateria, che ha carica opposta e, solo nei quark, il colore complementare. Sinteticamente ogni elemento di antimateria viene indicato con l'elemento della materia corrispondente sovrastato da una lineetta (se nella notazione sintetica non è evidenziata la carica) o viene semplicemente cambiato il segno della carica.

Illustrazione 4: Antiprotone

Non appena un elemento di materia viene posto a contatto al suo corrispettivo di antimateria si verifica un'annichilazione nella quale entrambe le particelle scompaiono e si trasformano in energia secondo l'equazione di Einstein E=mc², dove c è la velocità della luce nel vuoto (circa 3 * 10⁸ m/s).

Ugualmente può avvenire la “creazione di materia” a partire da energia in casi eccezionali come durante il Big Bang.

Tutte le particelle composte da quark vengono attualmente classificate come adroni e, quelle che compongono la nostra realtà quotidiana, possono essere composte da 2 o 3 quark. Da ricerche svolte riguardo la Cromodinamica Quantistica è emerso che, perché una particella possa rimanere legata il colore complessivo dei quark deve essere bianco. Ecco le varie possibili combinazioni di quark. 6

• Mesone (2 quark), colore + anticolore = bianco.
• Barione o nucleone (3 quark), rosso + verde + blu = bianco.

È stato rilevato inoltre un secondo leptone chiamato neutrino elettronico (v), che possiede carica elettrica nulla e massa scarsissima. Per queste sue proprietà è particolarmente restio ad interagire e difficilmente osservabile. Basti pensare che di tutti i neutrini provenienti dallo spazio diretti verso la terra quasi nessuno interagisce con questa, ma quasi tutti la oltrepassano semplicemente. È stato calcolato che, per bloccare solo la metà dei neutrini elettronici che giungono in una determinata zona, è necessario uno spessore di piombo di un anno luce (9,46*10¹⁵ m)!! Si consideri che un anno luce corrisponde a 63241 volte la distanza terra-sole.

Possiamo così riassumere le particelle che costituiscono la nostra materia:

Quark

• Up (+2/3).
• Down (−1/3).

Leptoni

• Elettroni (−1).
• Neutrino elettronico (0).

All'interno di grandi acceleratori di particelle, zone in cui è possibile trovare grandi quantità di energia, sono state rilevate per frazioni di secondi altre particelle elementari. Tuttavia queste particelle non sono stabili in quanto necessitano di una grande quantità di energia per mantenersi. Le nuove particelle sono state chiamate di 2ª e 3ª generazione, distinguendole così da quelle già scoperte di 1ª generazione.

Ecco un breve elenco di particelle ad alta e altissima energia:

Quark

Leptoni

Particelle nello stato di alta energia o 2ª generazione

• Charm (+2/3).
• Muone (−1).
• Strange (−1/3).
• Neutrino muonico.

Particelle nello stato di altissima energia o 3ª generazione

• Top (+2/3).
• Tau (−1).
• Bottom (−1/3).
• Neutrino tauonico (0).

Calcolando la massa di queste particelle si è osservato che viene ancora conservata l'equazione di Einstein (E=mc²). Infatti un quark top ha una massa di 174300 MeV, contro i 2,5 MeV medi del quark up!!

Grazie a queste particelle elementari, si possono creare più composti adronici, ecco un breve elenco:

Nome adrone se solo con quark 1° gen. n° quark

Mesoni: mesoni, 2

Iperoni: barione o nucleone, 3

Tetraquark (non esistente), 4

Pentaquark (non esistente), 5

La materia formata con quark della 2ª e 3ª generazione è tuttavia troppo complessa per essere analizzata in una trattazione sintetica dell'argomento e verrà per questo tralasciata, a favore di quella a livello energetico normale. 7

2.6 La corrispondenza massa-energia

E=mc²

Descritta per la prima volta da Einstein, l'equazione risulta comoda per quantificare l'energia nei fenomeni di livello microscopico. Come già trattato, essa può venire utilizzata per stabilire l'energia proveniente dall'annichilazione di una porzione di materia e la corrispettiva antimateria.

c²

Essendo un numero molto grande, nel mondo quotidiano l'energia immagazzinata nella massa di un sistema supera di gr