La bomba atomica: sviluppo tecnico e conseguenze morali

IL PROGETTO MANHATTAN

A partire dal 1939 tutti i maggiori fisici del mondo iniziarono a discutere sulla possibilità di

utilizzare la fissione dell’uranio per costruire una nuova arma. Negli Stati Uniti si temeva che il

regime nazista potesse dotarsi di questa nuova tecnologia, così Einstein, su sollecitazione di Leo

Slizard, indirizzò una lettera al presidente F.D. Roosevelt esortandolo ad autorizzare l’avvio di

ricerche rivolte alla costruzione di bombe atomiche.

Nel settembre del 1941 il fisico tedesco Heisemberg

propose alla comunità scientifica americana,

rappresentata dal danese Bohr, di rallentare le

ricerche sull’energia nucleare almeno fino al termine

della guerra ma Bohr rifiutò pensando che

Heisemberg fosse una pedina nelle mani di Hitler

che intendeva impedire i progressi americani.

Nel giugno del 1942 arrivò ai servizi segreti anglo-

americani la notizia che Heisemberg riteneva

possibile l’impiego militare dell’energia atomica.

Così Roosevelt autorizzò la realizzazione del

progetto Manhattan, con a capo il generale Groves,

per la costruzione della bomba atomica.

Per progetto Manhattan si intende un programma di ricerche svolto dai maggiori rappresentati della

comunità scientifica presso Los Alamos ( nella foto in alto a destra), una cittadina del New Mexico.

Fu nominato responsabile scientifico Robert Oppenheimer, ma anche il fisico italiano Enrico Fermi

contribuì in maniera fondamentale al successo del progetto.

Il progetto ebbe degli aspetti particolari. Il campo di ricerche di Los Alamos nacque dal nulla in

pochi giorni sotto il segreto di stato. Gli unici che erano a conoscenza di questa città fantasma erano

i militari adibiti alla vigilanza ed il gruppo di scienziati provenienti da tutto il mondo che vennero

letteralmente rinchiusi nella città laboratorio insieme alle proprie famiglie. I ricercatori lavorarono

con grande coesione convinti che la costruzione della bomba atomica avrebbe spaventato le altre

nazioni inducendole a chiedere la pace. Il progetto Manhattan fu il primo esempio di ricerche

svolte da un team di scienziati provenienti da tutto il mondo, i quali mettendo insieme le varie

scoperte ed idee individuali riuscirono a costruire la bomba atomica in pochissimi anni, cosa che

non sarebbe stata mai possibile se ogni scienziato avesse lavorato individualmente. Infatti nella

primavera del 1945 fu realizzato il primo ordigno nucleare . Il 16 luglio la bomba fu sperimentata

con successo nel deserto del New Mexico presso Alamogordo, il 6 agosto fu sganciata la prima

bomba su Hiroshima e tre giorni dopo ne fu lanciata un'altra su Nagasaki .

Subito si accese un aspro dibattito sulla legittimità dell’impiego

dell’atomica. Già nella primavera di quel anno erano sorti i primi

dubbi sul bisogno di usare il nuovo ordigno. Il 25 marzo Einstein

scrisse a Roosevelt per invitarlo ad incontrare Leo Slizard che, anche

per l’imminente resa della Germania, era seriamente preoccupato per

l’occorrenza e per le conseguenze dell’uso della nuova arma e

proponeva di invitare dei delegati giapponesi ad assistere alla

dimostrazione della distruttività dell’atomica i quali avrebbero dovuto

consigliare all’imperatore di ritirarsi dopo aver preso coscienza del

pericolo. Ma la morte del presidente impedì l’incontro. Il nuovo

presidente H. Truman si mostrò subito favorevole all’impiego

dell’atomica, anche perché un secondo gruppo di scienziati dei quali

facevano parte Fermi ed Oppenheimer sostenne che nessuna

dimostrazione potesse porre fine il conflitto, ma solo l’impiego della

bomba poteva indurre alla resa il Giappone. Truman si servì delle bom- 4

be atomiche sostenendo di evitare la morte di migliaia di americani a causa di un invasione

dell’arcipelago giapponese.

Negli anni successivi molti scienziati che avevano partecipato al progetto Manhattan ebbero forti

rimorsi. Per esempio Oppenheimer si rifiutò di far parte del gruppo di lavoro per la costruzione

della bomba all’idrogeno, inoltre in una lettera indirizzata al presidente Truman scrisse: “presidente

ho del sangue fra le mani”. 5

FISSIONE E FUSIONE NUCLEARE

Cenni sull’energia di legame: α formata da due neutroni e da due

Empiricamente è dimostrato che la massa di una particella

protoni è minore della somma delle masse delle quattro particelle prese singolarmente. Quindi a

seguito di una diminuzione della massa del nucleo, anche l’energia risulta essere inferiore secondo

= 2

E mc

la relazione di Einstein . Questa diminuzione di energia è definite energia di legame del

nucleo. Per separare il nucleo nei singoli nucleoni occorre fornire un’energia almeno pari a quella

di legame. FISSIONE NUCLEARE

Nel 1939 Otto Hahn e Fritz Strassmann scoprirono un nuovo fenomeno fisico che consisteva nel

poter spezzare un nucleo di Uranio in due nuclei più piccoli. Questo processo è chiamato fissione

nucleare. La fissione nucleare libera una quantità di energia maggiore di molti ordini di grandezza

rispetto all’energia liberata in una reazione chimica.

Una reazione di fissione ha inizio quando un neutrone lento è assorbito da un nucleo di uranio-235;

in questo modo aumenta di uno il suo numero di massa e lo lascia in uno stato eccitato:

+ →

1 235 236

n U U *

0 92 92

Il nucleo eccitato oscilla violentemente e si deforma. Per

molti aspetti il nucleo si comporta come una goccia

d’acqua in rotazione e di conseguenza si può deformare

solo fino ad un certo punto prima di rompersi in pezzetti

più piccoli, ossia prima di subire una fissione.

Solitamente nel corso di tale processo, oltre alla

formazione dei due nuclei più piccoli vengono emessi

anche 2 o 3 neutroni. In questo modo si innesca una

reazione a catena. Si ha una reazione a catena quando un

neutrone emesso in seguito a una reazione di fissione ne

provoca una seconda in un altro nucleo. In una reazione

incontrollata sono emessi più di un neutrone, mentre in

una reazione controllata ne viene emesso solamente uno.

La prima reazione nucleare controllata fu ottenuta da

Enrico Fermi nel 1942. Il suo reattore, installato nella

palestra dell’Università di Chicago, era costituito da

blocchi di Uranio (carburante) tenuti insieme a blocchi di

graffite (moderatore) per formare una grande “pila”. In un

reattore nucleare di questo tipo il moderatore rallenta i

neutroni emessi durante la fissione, rendendo più

probabile la loro cattura da parte di altri nuclei di uranio e

causando ulteriori fissioni.

La velocità di reazione è regolate con le barre di controllo, fatte di materiale efficace nell’assorbire

neutroni (per esempio il cadmio). Con le barre di controllo interamente inserite nella pila , qualsiasi

reazione inizia e termina immediatamente perchè i neutroni sono assorbiti e non è permesso loro di

innescare ulteriori reazioni. Se le barre di controllo vengono estratte parzialmente dalla pila , si

rendono utilizzabili dei neutroni per produrre nuove reazioni. Quando un neutrone emesso da una

reazione di fissione ne produce un'altra, si dice che il reattore è critico; questo è il modo in cui

funzionano i reattori nucleari che producono energia per funzioni pratiche. Se le barre di controllo

vengono ulteriormente estratte dalla pila si innesca una reazione a catena incontrollate, come

avviene nella bomba atomica. 6

Il reattore originale di Fermi produceva una potenza di soli 0,5 W, invece i reattori nucleari

contemporanei producono normalmente una potenza di 1 GW.

FUSIONE NUCLEARE

Quando due nuclei leggeri si combinano per formare un nucleo più grande, la reazione è detta

fusione nucleare.

Dalla curva dell’energia di legame si può osservare come il nucleo risultante abbia un’energia di

legame maggiore di quella dei nuclei originali. Questo significa che il nucleo più grande che si

forma con la fusione ha una massa minore della somma delle masse dei nuclei leggeri originali. La

2

differenza di massa appare sotto forma di energia emessa nella reazione ( si ricordi E=mc ).

Perché si inneschi una reazione di fusione nucleare occorre che i nuclei originali abbiano una

energia cinetica sufficiente per superare la repulsione coulumbiana che i due protoni esercitano tra

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loro. La temperatura necessaria è di 10 K, quando la temperatura è abbastanza alta da innescare la

fusione, avviene una reazione termonucleare.

Ad oggi l’uomo non è in grado di raggiungere

temperature di questo ordine di grandezza per

intervelli di tempo sufficienti ad innescare la

reazione, ma questo processo può essere

osservato nelle stelle. Una stella come il sole

per esempio fonde l’idrogeno in elio; questo

avviene nel ciclo protone-protone descritto per

la prima volta da Hans Bethe . Il ciclo consiste

in tre fasi: ν

+

+ → + +

1 1 2

H H H e

1 1 1 e

γ

+ → +

1 2 3

H H He

1 1 2 ν

+

+ → + +

1 3 4

H He He e e

1 2 2

Le reazioni di fusione sono più vantaggiose di quelle a fissione, per questo motivo i ricercatori sono

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impegnati a trovare una tecnica che consenta di raggiunge temperature vicine ai 10 K. Infatti a

queste temperature si forma un gas de elettroni e nuclei detto plasma. Per innescare la reazione di

fusione occorre mantenere il plasma in questo stato abbastanza a lungo. Si cerca di realizzare ciò

con le tecniche del confinamento magnetico e del confinamento inerziale. 7

LA STRUTTURA DEL SOLE

Per comodità di esposizione possiamo suddividere la struttura del Sole in una serie di involucri

concentrici, pur tenendo presente che, essendo tutti gassosi, non esistono tra di essi limiti netti.

Distinguiamo in tal modo: il nucleo, una zona radiativa, una zona convettiva, la fotosfera, la

cromosfera e la corona.

Il nucleo è la zona più interna del sole nella quale vi si produce

energia. Nel cuore del sole è in funzione un vero e proprio reattore

nucleare a fusione mantenuto stabile dalla forza di gravità. Infatti a

quelle profondità la pressione gravitazionale dell’enorme involucro di

materiali sovrastanti è in grado di contenere la violenza esplosiva delle

reazioni termonucleari innescate dalle temperature elevatissime

prossime a 15 milioni di K.

La zona radiativa è l’involucro attraverso il quale si trasmette l’energia,

prodotta all’interno del nucleo, verso l’esterno. Qui a causa della minore temperatura non si

innescano le reazioni termonucleari.

La zona convettiva è l’involucro dove si completa il trasporto di energia, qui hanno luogo

movimenti convettivi.

La fotosfera è l’involucro che irradia quasi tutta la luce solare e corrisponde al disco luminoso del

sole. La temperatura media superficiale del sole è di 6000 K, a questo è dovuto il colore giallo. La

superbie della fotosfera non è liscia, ma presenta una struttura a granuli brillanti. Questi granuli

segnano l’affiorare di gigantesche bolle di gas che rappresentano la parte sommitale dei movimenti

convettivi. Infine la superficie brillante della fotosfera presenta delle macchie solari, ossia zone in

cui la temperatura superficiale è più bassa.

La cromosfera è un involucro trasparente di gas incandescenti

che avvolge la fotosfera, è visibile per un breve tempo solo

durante un eclissi totale di sole. Il bordo esterno è sfrangiato in

foto a lato

numerose punte luminose dette spicole ( ). Le spicole

hanno un diametro di 1000 Km e si innalzano fino a 15000 Km

di altezza ad elevata velocità, esse appaiono come un

prolungamento verso l’alto dei moti turbolenti dei granuli della

fotosfera.

La corona è la parte più esterna della atmosfera solare ed è formata da un involucro di gas ionizzati

sempre più rarefatti man mano che ci si allontana dalla cromosfera. Nella parte più esterna della

corona le particelle hanno velocità sufficiente per sfuggire all’attrazione gravitazionale del sole e si

disperdono perciò nello spazio come vento solare.

Altri aspetti caratteristici dell’attività

solare sono le protuberanze e i

prima foto

brillamenti. Le protuberanze (

a lato) sono grandi nubi d’idrogeno che

s’innalzano dalla cromosfera e penetrano

ampiamente nella corona sotto forma

d’immense fiammate. I brillamenti

seconda foto a destra

( ), o flares, sono

violentissime esplosioni d’energia simili