L'era atomica - Tra tecnologia e morale

Dolo, giugno - luglio 2009

L’era atomica

Tra innovazioni tecnologiche e problematiche morali

di

Alberto Libralesso

A.S. 2008/2009

Liceo Scientifico Statale Galileo Galilei – Dolo – VE

Indice

1. Prefazione ..................................................................................................................................... Pag. 1

1.1. L’energia relativistica

1.2. La fissione nucleare

1.3. La fusione nucleare

1.4. Il decadimento radioattivo

2. L’atomo nella storia: da unità indivisibile della materia a probabile fonte di energia

............................................................................................ Pag. 2

2.1. Genesi della ricerca

2.2. La reazione delle masse

3. Gli anni ’20 [del Novecento] ............................................................................................ Pag. 3

3.1. I centri della ricerca atomica

3.2. Gottinga

3.3. La situazione in Unione Sovietica

3.4. L’ingerenza della politica negli istituti e le espulsioni degli scienziati

3.5. Verso gli USA

3.6. L’URSS

4. Verso uno sfruttamento dell’energia atomica: la scoperta della fissione nucleare

.................................................................................................................... Pag. 4

4.1. La scoperta dei neutroni

4.2. La scoperta della radioattività artificiale

4.3. L’autocensura: come prevenire un disastro

4.4. Roma, capitale della scienza mondiale dei primi anni ’30

4.5. La scoperta della fissione nucleare

5. Scienza, tecnologia e società: la fisica applicata all’industria bellica

............................................................................................................................................... Pag. 5

5.1. L’impossibilità di sfruttare l’energia celata nell’atomo?!?

5.2. Un nuovo problema: la liberazione di neutroni dalla reazione

5.3. La paura di una bomba atomica hitleriana

5.4. Il paradosso

6. Il Manhattan Project

........................................................................................................... Pag. 7

6.1. Il governo americano appoggia la causa degli scienziati

6.2. L’ostilità nei confronti degli scienziati stranieri

6.3. Roosevelt-Churchill per una bomba negli USA

6.4. Il Manhattan Project

6.5. L’ascesa di Oppenheimer

7. Crisi di coscienza

..................................................................................................................... Pag. 9

7.1. L’operazione Alsos

7.2. La ricerca di nuovi stimoli

7.3. Moralità VS potere

7.4. La morte di Roosevelt ed il futuro della bomba

8. L’atomica diventa una realtà

.................................................................................... Pag. 10

I

8.1. L’esperimento di Almogrado

9. Verso il disastro: le bombe su Hiroshima e Nagasaki ............................. Pag. 11

9.1. La decisione finale

9.2. La situazione del Giappone

9.3. Hiroshima

9.4. La reazione del Giappone

9.5. Altre reazioni

9.6. Nagasaki

9.7. I piloti

9.8. Un preludio alla guerra fredda?

10. Dopo il conflitto .................................................................................................................. Pag. 14

10.1. La morte per radiazioni tocca l’ambiente scientifico: la Rivolta degli Scienziati

10.2. Il controllo nazionale degli armamenti atomici

10.3. L’esodo degli scienziati

10.4. L’operazione Paperclips

10.5. L’indifferenza comune

10.6. Lo spettro di una terza guerra mondiale combattuta con armi atomiche

11. Nuove frontiere della ricerca scientifica: il rischio di una distruzione globale

.......................................................................................................... Pag. 15

11.1. Un’inquietante scoperta

11.2. Verso la bomba H: tra crisi di coscienza e tentazione tecnica

11.3. L’esperimento a Bikini

11.4. Il sorpasso URSS-USA nella corsa agli armamenti

11.5. Verso una distruzione globale? La bomba FFF

11.6. La caduta di Oppenheimer

12. Il mondo nell’equilibrio del terrore

............................................................... Pag. 17

12.1. Il rischio di un terzo conflitto mondiale combattuto con armi nucleari

13. Sfruttamento pacifico dell’energia atomica ............................................. Pag. 18

13.1. Le centrali nucleari a fissione

13.2. La sicurezza e le scorie radioattive

13.3. Il futuro: verso centrali nucleari a fusione

14. Bibliografia ................................................................................................................................ Pag. 20

15. Sitografia ..................................................................................................................................... Pag. 20

16. Filmografia ................................................................................................................................. Pag. 20

II

1. Prefazione

Con Era Atomica si identifica il periodo iniziato intorno agli anni ’20 del Novecento e che continua tutt’oggi, caratterizzato dalla ricerca scientifica per lo sfruttamento dell’energia nucleare.

Per energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici.

Le reazioni che coinvolgono l’energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività [= decadimento radioattivo].

Prima di analizzare nel dettaglio i processi che portano alla produzione di

1.1. L’energia relativistica

energia nucleare è necessario fare un accenno ad una teoria che, oltre ad aver stravolto il mondo della fisica, spiega perché nei processi di fissione/fusione si liberi così tanta energia: la Teoria della Relatività Ristretta di Einstein (1905).

Questa teoria sancisce, tra l’altro, che E=mc², dove E indica l’energia, m la massa e c la velocità della luce (elevata al quadrato).

Osservando questa formula – che unifica i principi di conservazione della massa e dell’energia precedentemente divisi – appare chiaro come, essendo la velocità della luce – peraltro elevata al quadrato – una quantità assai rilevante (nell’ordine dei 3·10⁸ m/s), anche una massa apparentemente trascurabile può trasformarsi in una quantità apprezzabile di energia.

Le reazioni di fissione/fusione permettono di ricavare energia grazie al difetto di massa, ovvero differenza tra la massa dei nuclei reagenti e la massa dei prodotti nella reazione [nella fissione è la differenza tra la somma delle masse delle singole particelle di un nucleo e la massa del nucleo stesso; nella fusione è la differenza tra la massa del nucleo grande che si forma con la fusione e la somma delle masse dei nuclei leggeri originali].

1.2. La fissione nucleare

Nelle reazioni di fissione nuclei di atomi pesanti – che hanno cioè un elevato alto numero atomico (es. Uranio [U] [Z=92] – quello naturale è composto da una miscela di tre isotopi, U234, U235, e U238, di cui U238 è il più abbondante, ma il solo U235 è fissile –, Plutonio [Pu] [Z=94] – prevalentemente sintetico, si ottiene a partire dall’U238 che, dopo aver assorbito un neutrone ed essersi dunque convertito in U239, decade prima in Nettunio [Np239] e poi in Plutonio –, Torio [Z=90]) – si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia.

L’energia liberata è 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 (es. U235); in questo modo il suo numero di massa [A] aumenta di un valore pari a 1 e il nucleo resta in uno stato eccitato.

In questo stato il nucleo oscilla violentemente e si deforma fino a rompersi.

Ci sono circa 90 modi diversi in cui il nucleo dell’U235 può subire una fissione.

Nel corso di tale processo, oltre alla formazione dei 2 nuclei più piccoli, vengono emessi 2 o 3 – mediamente 2,47 – neutroni (aspetto, questo, fondamentale per l’innesco di una reazione a catena).

Es. 23592 23692

U + n -> U *

236 14056 9336

U * -> Ba + Kr +3n + 172 MeV

92

[l’energia liberata da una singola molecola di benzina è pari a solo 2eV]

1

1.3. La fusione nucleare

Nelle reazioni di fusione nuclei di atomi leggeri – che hanno cioè un basso numero atomico (es. Idrogeno [Z=1], Deuterio e Trizio (entrambi isotopi dell’idrogeno) – si fondono, dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia; il processo di fusione è il medesimo che si verifica nelle stelle.

L’energia liberata è maggiore di molti ordini di grandezza rispetto all’energia liberata in una reazione chimica, ma è anche maggiore rispetto all’energia liberata in una reazione di fissione nucleare.

L’enorme energia termica (ca. 10⁸ K) necessaria ad innescare la reazione serve a vincere la Forza di Coulomb che, in virtù del fatto che cariche dello stesso segno si respingono – i nuclei di 2 elementi sono entrambi carichi positivamente –, renderebbe impossibile il realizzarsi di tale reazione.

La Reazione di Fusione Nucleare

Es. [Catena Protone – Protone] 11 11 21 +

H + H -> H + e + ν

21 11 32

H + H -> He + γ

32 32 42 11

He + He -> He + 2H

L’energia totale liberata durante questo processo è di circa 25 MeV.

1.4. Il decadimento radioattivo

Le reazioni di decadimento radioattivo coinvolgono nuclei di atomi instabili che attraverso processi di emissione/cattura di particelle subatomiche tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio conseguentemente alla diminuzione della massa totale del sistema.

2. L’atomo nella storia: da unità indivisibile della materia a probabile fonte di energia

2.1. Genesi della ricerca

Se già dalla fine dell’’800 si era dimostrato che l’atomo – per gli antichi greci considerato l’unita più piccola ed indivisibile della materia – presentava al suo interno particelle minori [nucleo = protoni (1911, E. Rutherford) + neutroni (1932, J. Chadwick); elettroni (1897, J. J. Thomson)], i primi studi sulla possibilità di scindere questa entità risalgono all’ultimo anno della Grande Guerra, nell’ambito della ricerca di una nuova forma di difesa, dell’esercito inglese, nei confronti dei sommergibili nemici.

Rutherford, per primo, pubblicò una relazione in cui illustrava come fosse riuscito, bombardando con particelle alfa – ovvero nuclei di Elio [He] espulsi da atomi radioattivi – un elemento, a trasformarlo in elementi diversi.

Egli, partendo da un atomo di Azoto [N], riuscì infatti ad ottenere ioni di Idrogeno [H] ed Ossigeno [O].

Non si trattava di una comune reazione chimica – nella quale sarebbe stata coinvolta solo la parte esterna degli atomi [elettroni] – bensì di una vera e propria trasmutazione nucleare.

La transmutatio materiae non è una novità del secolo scorso; era ciò che già gli alchimisti cercarono di realizzare a partire dal Medioevo – cercando di trasmutare metalli non preziosi in Oro [Au] o Argento [Ag] –, ma con scarso risultato – soprattutto a causa delle minime quantità di energia impiegate e delle scarse conoscenze tecniche –.

Mentre i precursori dei moderni scienziati si interrogavano però su questioni di tipo morale, nelle relazioni di Rutherford non si trovano osservazioni di sorta.

Alchimista: Proibite ai potenti e ai loro armigeri l’accesso ai vostri laboratori, poiché essi abuseranno del sacro mistero ponendolo al servizio della potenza.

I primi esperimenti iniziarono con non poche difficoltà; la piccola quantità di radio con cui Rutherford svolgeva i propri studi gli venne addirittura sequestrata poiché era enemy alien property, ovvero, proprietà del nemico: i 250 mg di Radio [Ra] gli erano infatti stati prestati dagli austriaci.

In seguito alle ricerche da lui condotte aveva tuttavia espresso la convinzione secondo cui non si sarebbe mai riusciti a sfruttare l’energia celata nell’atomo.

Rutherford: Noi viviamo su un’isola di fulmicotone per accendere il quale, grazie a Dio, non abbiamo ancora trovato il fiammifero.

2.2. La reazione delle masse

Il terrore di una prossima fine del mondo in seguito a queste scoperte non pareva dunque, per il momento, una possibilità da prendere in considerazione, tanto distanti apparivano dalla realtà comune tali scoperte scientifiche; l’opinione pubblica non rivolgeva ad esse, anzi, alcuna attenzione.

3. Gli anni ’20 [del Novecento]

3.1. I centri della ricerca atomica

La fisica atomica fungeva in quegli anni da catalizzatore dei principali intellettuali del tempo, fossero essi menti filosofiche o cervelli politici, se non addirittura talenti artistici.

Tre erano, nei primi anni ’20, i principali centri della ricerca atomica, tutti su suolo europeo:

• [GER] Gottinga (M. Born, J. Franck e D. Hilbert);
• [DEN] Copenhagen (N. Bohr);
• [ENG] Cambridge (E. Rutherford).

I principali scienziati al di fuori dell’Europa (es. India, Giappone, USA e URSS) aspiravano però a maggiori contatti e ad un reciproco scambio di esperienze scientifiche con l’Occidente.

3.2. Gottinga

Gottinga rappresentava il luogo che meglio contribuiva all’incontro e allo scambio di idee tra intellettuali.

Qui ritroviamo anche numerosi fisici americani: questi venivano soprannominati Cavalieri di Colombo alla Rovescia poiché tornavano nel Vecchio Mondo dagli USA per studiare fisica, nel loro paese ad un livello ancora assai antiquato.

Quasi tutti gli americani divenuti famosi nel campo dell’energia atomica sono stati almeno una volta a Gottinga tra il ’24 e il ’32 (es. J. R. Oppenheimer).

Tutti questi uomini, pur avendo coscienza di lavorare a qualcosa di grande e importante, non sospettavano tuttavia che il lavoro che svolgevano appartati dal mondo avrebbe così presto e così profondamente sconvolto non solo la loro vita, bensì quella dell’umanità intera.

3.3. La situazione in Unione Sovietica

In URSS l’acuirsi della lotta interna per il potere tra Stalin e le altre frazioni del Partito Comunista aveva cominciato a ripercuotersi anche sugli scienziati.

I fisici, che inizialmente potevano recarsi all’estero senza difficoltà reali, si videro improvvisamente negare il permesso di uscita.

Non si tolleravano più posizioni neutrali: era necessaria una presa di posizione ideologica.

3.4. L’ingerenza della politica negli istituti e le espulsioni degli scienziati

Con la crisi economica del ’29 anche a Gottinga si fecero sentire gli influssi della politica.

All’interno dell’università iniziarono a crearsi segretamente alcuni gruppi di intellettuali riuniti sotto una medesima bandiera politica: si formarono, in particolare, un gruppo nazional-socialista ed una cellula comunista.

Da quel momento si diffuse per l’istituto un’atmosfera carica di diffidenza e tensione.

In questo contesto si diffusero anche folli teorie, sostenute da scienziati nazionalisti, secondo cui la Teoria della Relatività di Einstein non era altro che un colossale bluff ebreo; si bollarono così come fisica ebrea tutti i lavori fondati sulle scoperte di Einstein, ma anche quelle di Bohr; tutti gli ariani che a queste teorie facevano riferimento vennero soprannominati ebrei in ispirito.

Iniziarono così le prime espulsioni di scienziati – molti dei quali, però, non si ribellarono –.

Tanti dei professori non ebrei, che pur condannavano l’intrusione della politica nell’ambiente scientifico, non osarono tuttavia intraprendere azioni di protesta, preoccupati più per le loro cattedre che delle ripercussioni che tali provvedimenti avrebbero necessariamente implicato.

Chi restò non poté comunque più riprendere il filo di quelli che erano stati i grandi risultati degli anni precedenti.

3.5. Verso gli USA

L’università di Copenaghen rimase momentaneamente un’isola di pace e tolleranza: qui vennero infatti accolti molti degli scienziati costretti a fuggire dalla Germania.

Copenhagen, più che una tappa definitiva, rappresentava piuttosto una rampa di lancio verso gli istituti americani, gli unici in grado di offrire un sufficiente numero di posti ai refugées intellettuali provenienti dall’Europa dei regimi totalitari.

Fu soprattutto grazie a questa migrazione di massa che gli USA divennero il centro della scienza mondiale.

Collaboratori di questo periodo prenderanno, in seguito, strade diametralmente opposte (es. C. F. von Weizsacker ed E. Teller: il primo contribuirà al progetto uranio tedesco [U-Project], mentre il secondo espatrierà negli USA diventando il più attivo propugnatore bomba ad idrogeno).

Ben poco fece l’URSS per accaparrarsi alcuni di questi intellettuali esiliati.

3.6. L’URSS

Chi emigrò spontaneamente in Unione Sovietica andò incontro ad un triste destino: molti, nel clima di sospetto venuto a crearsi, incapparono nella Grande Purga o furono incarcerati, torturati, interrogati per estorcere false confessioni, spediti in Siberia.

4. Verso uno sfruttamento dell’energia atomica: la scoperta della fissione nucleare

J. Chadwick scoprì nel ’32 la chiave della fissione dell’atomo: il neutrone.

4.1. La scoperta dei neutroni

Quasi nessuno comprese però che questa minuscola particella sarebbe stata fondamentale per liberare l’enorme quantità di energia assopita nella materia.