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

• La scoperta delle radiazioni ..................................................................................................................... 5
  • I raggi catodici ................................................................................................................................... 5
  • L’effetto Zeeman .............................................................................................................................. 7
  • I raggi X ............................................................................................................................................. 7
  • La radioattività naturale ................................................................................................................... 7
  • I raggi α, β e γ ................................................................................................................................... 8
  • Definizione di radioattività ............................................................................................................... 9
• La modellistica atomica ......................................................................................................................... 11
  • Il modello atomico di Thomson ...................................................................................................... 11
  • Il modello atomico di Rutherford ................................................................................................... 12
  • Il modello atomico di Bohr ............................................................................................................. 13
  • Lo spettrografo e il difetto di massa ............................................................................................... 13
• La meccanica quantistica ....................................................................................................................... 15
  • La diffrazione .................................................................................................................................. 15
  • La lunghezza d’onda di De Broglie .................................................................................................. 16
  • La teoria della meccanica quantistica ............................................................................................. 17
  • Corrispondenza e complementarietà ............................................................................................. 17
  • Il principio di indeterminazione ...................................................................................................... 18
• La fissione nucleare ............................................................................................................................... 19
  • I neutroni ........................................................................................................................................ 19
  • La radioattività artificiale ................................................................................................................ 19
  • I neutroni lenti ................................................................................................................................ 21
  • Lo Judenboykott ............................................................................................................................. 21
  • La fissione ....................................................................................................................................... 22
  • La reazione a catena ....................................................................................................................... 23
  • L’energia liberata nella fissione ...................................................................................................... 24
• La corsa alla bomba atomica ................................................................................................................. 25
  • Hitler invade l’Europa ..................................................................................................................... 25
  • Il club dell’Uranio ............................................................................................................................ 27
  • La massa critica e il MAUD Report .................................................................................................. 27
  • Il plutonio e il reattore nucleare ..................................................................................................... 28
  • L’incontro di Copenaghen ............................................................................................................... 29
  • Il progetto Manhattan .................................................................................................................... 29
    • La pila di Fermi ........................................................................................................................ 32
    • Le bombe ................................................................................................................................ 34
  • Hiroshima e Nagasaki ..................................................................................................................... 38
  • La necessità di sganciare una bomba.............................................................................................. 40
  • La missione Alsos e Farm Hall ......................................................................................................... 42
  • Il fallimento dei tedeschi ................................................................................................................ 42
• Bibliografia e sitografia .................................................................................................................................. 43

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 allo 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.

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 particelle 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 scoprirono che i raggi catodici hanno carica e successivamente nel 1897 con gli studi di Joseph John Thomson confermarono la natura di particella cariche degli elettroni.

Figura [1] Tubo a raggi catodici di Crookes, il gas rarefatto all’interno si illumina di blu-violetto al passaggio dei raggi, il vetro fluorescente si illumina di verde quando colpito dai raggi

Anche lo studio delle emissioni luminose influisce sulle ricerche sull’atomo. Ogni sostanza infatti ha uno spettro ben definito di emissioni, ovvero emette onde elettromagnetiche con una frequenza ben precisa se opportunamente stimolata. Vale lo stesso per l’assorbimento, cioè le varie sostanze assorbono ed emettono sempre le stesse frequenze. Tali frequenze vengono chiamate anche righe (o linee) spettrali, per il fatto che la luce emessa da una sostanza, se viene separata attraverso un prisma, forma una figura a righe verticali del tipo di Figura [2]. Per questo le righe spettrali sono caratteristiche di ogni sostanza e possono essere usate per riconoscerle.

Figura [2] Esempi di righe spettrali di assorbimento ed emissione del carbonio e del ferro. Le linee nere in (b) e (c) sono di assorbimento, in (d) ed (e) invece le linee colorate sono di emissione. Per uno stesso elemento, ad ogni riga di emissione ne corrisponde una di assorbimento

1.2 L’effetto Zeeman

Nel 1896 il fisico olandese Pieter Zeeman scoprì l’effetto Zeeman, ossia la duplicazione o triplicazione delle righe spettrali delle sostanze quando queste vengono sottoposte ad un campo magnetico. Poco dopo Hendrik Antoon Lorentz spiega anche lui questo effetto ipotizzando che sia dovuto alla presenza di cariche elettriche negative, le quali oscillando generano le linee di emissione. Ipotesi veritiera per il fatto che una carica elettrica oscillante emette onde elettromagnetiche. A seguito di ciò gli scienziati capirono che gli elettroni sono dei costituenti universali della materia, costituenti degli atomi, che portano carica negativa e che sono responsabili dell’emissione di luce da parte della materia tramite il loro moto.

1.3 I raggi X

Nel 1895 lo scienziato tedesco Wilhelm Conrad Röntgen decise di ripetere alcuni esperimenti sui raggi catodici. Avvolse con carta nera il tubo a raggi catodici e pose uno schermo fluorescente esterno al tubo per osservare i raggi. Si supponeva che i raggi non potessero attraversare la carta nera e quindi lo schermo non avrebbe dovuto illuminarsi, ma con grande stupore lo schermo si illuminò lo stesso. Vennero così scoperti accidentalmente un nuovo tipo di raggi, i raggi X, di cui Röntgen all’epoca non conosceva ancora l’origine, ma sapeva per certo che potevano attraversare il vetro e la carta. Nell’esperimento svolto da Röntgen i raggi X vennero generati quando i raggi catodici colpirono il vetro fluorescente del tubo a vuoto. Oggi sappiamo invece che i raggi X sono delle onde elettromagnetiche, come la luce, e vengono generati tutte le volte che un elettrone atomico dei livelli più interni cambia il suo livello, o quando una particella viene decelerata, in particolare quando penetra nella materia, e fu proprio questo secondo fenomeno a verificarsi nell’esperimento di Röntgen, quando l’elettrone colpì il vetro del tubo a raggi catodici.

1.4 La radioattività naturale

Un’altra scoperta accidentale fu quella condotta nel 1896 dal fisico francese Henri Becquerel riguardante la radioattività naturale. Il celebre esperimento prevedeva una lastra fotografica posta sopra un minerale di uranio con l’effetto di impressionare la lastra. Successivamente scopre anche che l’uranio, oltre ad impressionare la lastra, è in grado di ionizzare i gas, che fanno i raggi X. Poco più tardi sempre in Francia i coniugi Pierre e Marie Curie scoprirono che anche altre sostanze, quali il torio, il radio ed il polonio si comportavano come l’uranio. Madame Curie diede un nome a tali sostanze, coniando il termine radioattive, perché si comportano come il radio, la sostanza più attiva di tutte quelle conosciute fino ad allora. Il lavoro sperimentale condotto dai coniugi devasta la loro salute in quanto all’epoca non si conoscevano gli effetti deleteri della radioattività. Nel 1934 infatti, a 67 anni Marie morì di leucemia, dovuta alla troppo lunga e intensa esposizione alle radiazioni. Da questo momento storico in avanti la radioattività diventa un campo di ricerca che convoglia l’interesse di tutta la comunità scientifica dei fisici.

Figura [3] Pierre e Marie Curie

1.5 I raggi α, β e γ

Nel 1899 in Inghilterra il fisico neozelandese Ernest Rutherford riconosce che le sostanze radioattive emettono due tipi differenti di radiazioni, che chiama rispettivamente raggi α e raggi β. Un anno dopo Paul Ulrich Villard scopre che il radio emette un terzo tipo di radiazione, che viene chiamata raggi γ. Tali radiazioni γ hanno una maggiore penetrazione nella materia e come i raggi X, ma contrariamente ai raggi α e β, non sono deviati da un campo magnetico, in altre parole i raggi X e γ non hanno carica elettrica. I raggi γ hanno inoltre maggiore energia dei raggi X. I tipi di radiazione si possono distinguere tra di loro per la diversa penetrazione nella materia: i raggi α vengono fermati 10 cm d’aria o da un foglio di carta; un fascio di raggi β attraversa fino a 4 m d’aria o 4 mm d’acqua prima di essere assorbito del tutto; i raggi γ sono estremamente più penetranti degli altri 2 tipi e vengono fermati solo con strati di materiale ad elevata densità di elettroni, cioè aventi elevato numero atomico (numero di protoni del nucleo di un atomo, invece il numero di massa atomica indica il numero di protoni e di neutroni in totale presenti nel nucleo, risulta = + ), inoltre il numero di neutroni da cui come piombo, tungsteno o calcestruzzo. Tali raggi γ attraversano quindi il corpo umano con estrema facilità, al contrario i raggi β attraversano i vestiti, penetrano la cute ma si fermano nel corpo ed infine i raggi α, con ancor minore penetrazione, vengono fermati dai vestiti. Nel 1901 si arriva alla conclusione che i raggi β altro non sono che i raggi catodici studiati dalla prima metà dell’Ottocento, ovvero gli elettroni come cariche elettriche negative. La natura dei raggi α non è ancora chiara all’epoca ma si pensa abbiano una carica elettrica positiva pari a un valore analogo a quello dei nuclei di elio ionizzato. Nel 1907 Rutherford si convince definitivamente che i raggi α sono ioni di elio. Di fatto tali raggi sono particelle costituite da 2 protoni e 2 neutroni.