Relazione Le Sfide Tecnologiche del Progetto Manhattan La storia della Bomba Atomica, Evoluzione Storica e Tecnologica dell'Energia Nucleare

INGEGNERIA ENERGETICA MAGISTRALE

A.A. 2014/15

Corso di

EVOLUZIONE STORICA E TECNOLOGICA DELL’ENERGIA NUCLEARE

Domiziano Mostacci

Paolo Vestrucci

LE SFIDE TECNOLOGICHE DEL

PROGETTO MANHATTAN

LA STORIA DELLA BOMBA ATOMICA

Indice

Prefazione ........................................................................................................................................................ 4

1 La scoperta delle radiazioni ..................................................................................................................... 5

1.1 I raggi catodici................................................................................................................................... 5

1.2 L’effetto Zeeman .............................................................................................................................. 7

1.3 I raggi X ............................................................................................................................................. 7

1.4 La radioattività naturale ................................................................................................................... 7

1.5 I raggi α, β e γ ................................................................................................................................... 8

1.6 Definizione di radioattività ............................................................................................................... 9

2 La modellistica atomica ......................................................................................................................... 11

2.1 Il modello atomico di Thomson ...................................................................................................... 11

2.2 Il modello atomico di Rutherford ................................................................................................... 12

2.3 Il modello atomico di Bohr ............................................................................................................. 13

2.4 Lo spettrografo e il difetto di massa ............................................................................................... 13

3 La meccanica quantistica ....................................................................................................................... 15

3.1 La diffrazione .................................................................................................................................. 15

3.2 La lunghezza d’onda di De Broglie .................................................................................................. 16

3.3 La teoria della meccanica quantistica ............................................................................................. 17

3.4 Corrispondenza e complementarietà ............................................................................................. 17

3.5 Il principio di indeterminazione ...................................................................................................... 18

4 La fissione nucleare ............................................................................................................................... 19

4.1 I neutroni ........................................................................................................................................ 19

4.2 La radioattività artificiale ................................................................................................................ 19

4.3 I neutroni lenti ................................................................................................................................ 21

4.4 Lo Judenboykott ............................................................................................................................. 21

4.5 La fissione ....................................................................................................................................... 22

4.6 La reazione a catena ....................................................................................................................... 23

4.7 L’energia liberata nella fissione ...................................................................................................... 24

5 La corsa alla bomba atomica ................................................................................................................. 25

5.1 Hitler invade l’Europa ..................................................................................................................... 25

5.2 Il club dell’Uranio ............................................................................................................................ 27

5.3 La massa critica e il MAUD Report .................................................................................................. 27

5.4 Il plutonio e il reattore nucleare ..................................................................................................... 28

5.5 L’incontro di Copenaghen ............................................................................................................... 29

5.6 Il progetto Manhattan .................................................................................................................... 29

5.6.1 La pila di Fermi ........................................................................................................................ 32

2

5.6.2 Le bombe ................................................................................................................................ 34

5.7 Hiroshima e Nagasaki ..................................................................................................................... 38

5.8 La necessità di sganciare una bomba.............................................................................................. 40

5.9 La missione Alsos e Farm Hall ......................................................................................................... 42

5.10 Il fallimento dei tedeschi ................................................................................................................ 42

Bibliografia e Sitografia .................................................................................................................................. 43

3

Prefazione

“Ormai, la rivoluzione dei primi del Novecento, che aveva mutato le basi stesse della

scienza ottocentesca, si era affermata; e i suoi effetti si facevano sentire nei campi più diversi:

dalla chimica alla biologia, dalla matematica alla fisica nucleare. Semmai, alcune di esse

potevano avere conseguenze terribili. E i fisici europei, sfuggiti al nazifascismo, erano quanto mai

consapevoli del pericolo…” Emanuele Vinassa de Régny

La rivoluzione scientifica che agli inizi del ventesimo secolo, grazie soprattutto alla teoria dei quanti e alla

teoria della relatività, aveva sconvolto le basi del meccanismo ottocentesco, sino ad allora ritenute

solidissime. Nell’intervallo fra le due guerre mondiali tale nuova metodologia scientifica apre agli scienziati

strade fecondissime che porteranno ben presto a risultati molto importanti. I progressi più notevoli si ebbero

naturalmente nel campo della fisica, della scienza e della matematica, le tre principali materie che avevano

dato l’avvio a questa rivoluzione; ma anche altre scienze come la chimica ne ebbero giovamenti. In questo

periodo è interessante notare anche il notevole apporto scientifico degli scienziati, sebbene l’avvento in

Europa del fascismo e del nazifascismo con la conseguente fuga di cervelli verso l’America. Tale contributo,

principalmente da parte degli scienziati d’oltreoceano, risulterà determinante alla sviluppo della scienza.

Con questa breve relazione ho cercato di introdurre le problematiche affrontate già a partire da fine

Ottocento che porteranno in seguito all’istituzione del Progetto Manhattan e alle successive costruzioni degli

ordigni nucleari. Sono state affrontate alcune tra i più importanti argomenti scientifiche, tra i quali la scoperta

delle radiazioni, le teorie della modellistica atomica, aspetti della meccanica quantistica per arrivare alla

fissione nucleare, alla reazione a catena, alla corsa alla bomba atomica ed infine alle conseguenze degli sganci

degli ordigni nucleari. 4

1 La scoperta delle radiazioni

Per affacciarsi meglio alle problematiche tecnologiche che sono state affrontate nel progetto Manhattan per

la realizzazione dell’ordigno nucleare, è opportuno fare un punto sui riferimenti storici e sulle scoperte

scientifiche di base.

Negli ultimi decenni dell’Ottocento il mondo scientifico risulta dominato fondamentalmente da Inghilterra,

Germania e Francia, seguite a distanza da Russia, Stati Uniti, Italia, Svizzera, parte dei paesi scandinavi e anche

il Giappone. Il mondo di allora era tecnologicamente, industrialmente e gestionalmente molto lontano da

quello di oggi: infatti non esistono computer, le e-mail, la rete elettrica, le vie di comunicazioni sono limitate

alle lettere e le attività scientifiche di laboratorio sono strettamente vincolate alla potenza delle batterie

elettriche. Iniziano gli studi fisici sulla liquefazione dei gas, sulle onde elettromagnetiche, sull’ottica, sulla

termodinamica, sulla teoria cinetica dei gas e sulle prime idee costitutive dell’atomo.

Il concetto di atomo è ancora lontano: si parte con un’idea che risulta un’assunzione molto utile ad esempio

in chimica, per la comprensione intuitiva della combinazione degli elementi, ma molti la considerano

un’ipotesi non verificata sperimentalmente. A questo ci si arriva nel 1905 con il lavoro teorico sul moto

browniano di Albert Einstein e con le successive verifiche sperimentali del 1908 di Jean Baptiste Perrin che

convinse definitivamente il mondo scientifico sull’esistenza dell’atomo.

Diversi esperimenti portarono alla scoperta dell’indivisibilità dell’atomo (dal greco ἄτομος, cioè indivisibile)

e alla sua struttura interna.

1.1 I raggi catodici

Fra tali esperimenti rientra quello sui raggi catodici, studiati fin dal 1838. Utilizzando un linguaggio moderno

si possono definire come un fascio di elettroni ad alta velocità emesso dall’elettrodo negativo di un tubo a

vuoto (ossia un tubo di vetro con all’interno del gas molto rarefatto). Gli elettroni vengono estratti dal catodo,

l’elettrodo metallico negativo, e poi accelerati mediante un campo elettrico verso uno schermo di vetro

fluorescente. Tale schermo di vetro fluorescente, una volta colpito dalle particella si illumina. In seguito al

riscaldamento del catodo, per mezzo di corrente elettrica nel metallo, sono emessi elettroni per effetto

termoionico. Un tipico esempio di tubo a raggi catodici è il cinescopio dei vecchi televisori.

Da notare che all’epoca nessuno conosceva la natura di questi raggi ed il nome elettrone non era stato ancora

coniato; per questo occorre aspettare il 1891 e il 1895 rispettivamente quando il fisico irlandese George

Johnstone Stoney prima e Jean Baptiste Perrin dopo scop