Radioattività e energia nucleare

Luca Sguanci

2017-05-18

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La scoperta della radioattività

La radioattività è un fenomeno naturale per cui gli atomi di alcuni elementi (elementi pesanti) emettono per instabilità nucleare particelle alfa (nuclei di elio), particelle beta (elettroni) e raggi gamma (radiazione energetica).

Rontgen e i raggi X

Il fisico tedesco Wilhelm Röntgen nel 1895 stava studiando i raggi catodici, quando osservò un fenomeno mai osservato prima, dovuto a una radiazione incognita.

Rontgen stava compiendo degli esperimenti con il tubo catodico di Crookes, un tubo di vetro in cui erano presenti gas di alcuni elementi che venivano attraversati da scariche elettriche ad elevato voltaggio; il tubo era rivestito di carta nera, ma su un foglio appeso distante dal tubo, su cui si trovava una scritta tracciata con inchiostro fluorescente, la scritta stranamente diveniva luminosa quando una corrente attraversava il tubo. Il fenomeno doveva essere riconducibile a una radiazione incognita, i raggi X, che si generavano all’interno del tubo e erano in grado di attraversare il vetro e la carta opaca. I raggi X hanno una di frequenza circa 10¹⁹Hz.

L’esperimento di Becquerel

Nel 1896 Henri Becquerel lavorava sui materiali fosforescenti, in particolare su cristalli di uranio, quando decise di compiere un esperimento in cui una lastra fotografica veniva avvolta con un panno nero - per non permettere l’esposizione alla luce - e su di questa venivano appoggiati dei sali di uranio.

Becquerel pensava che l’uranio fosse in grado di assorbire la luce del sole e riemetterla in seguito come raggi X e impressionare così la lastra.

Qualcosa però durante gli esperimenti che stava conducendo a Parigi andò storto: il cielo si fece nuvoloso e Becquerel chiuse la lastra in un cassetto pensando che non si fosse impressionata. Con sua grande sorpresa quando andò a sviluppare la lastra trovò che questa era stata impressionata (vedi Figura 3), nonostante fosse rimasta al buio: aveva appena scoperto il primo materiale radioattivo, l’uranio.

I coniugi Curie

In seguito gli esperimenti sull’uranio proseguirono e furono condotti da Becquerel insieme a Pierre e Marie Curie. I tre furono insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1903.

Marie e Pierre Curie proseguirono gli esperimenti sulla pechblenda, una roccia che contiene al suo interno anche uranio, e insieme scoprirono due nuovi materiali radioattivi, il radio e il polonio. Per questa scoperta nel 1911 furono insigniti del premio Nobel per la chimica.

Maria Skłodowska nacque nel 1867 in Polonia e si trasferì in Francia per frequentare l’università, dal momento che in quel tempo in Polonia alle donne non era permesso frequentarla. Alla Sorbonne conobbe Pierre Curie, i due si sposarono e lei acquisì il cognome del marito. Morì nel 1934 per una malattia legata alla sua prolungata esposizione alle radiazioni.

Einstein e l’equivenza tra massa e energia

Nel 1905 Albert Einstein formulò la legge di equivalenza tra massa e energia, E=mc².

In pratica 1g di polvere contiene un’energia enorme ma quest’energia è molto difficile da liberare. In alcune trasformazioni chimiche un sistema può perdere parte del suo contenuto energetico, e dunque della sua massa, rilasciando quest’energia come energia radiante o calore.

Infatti secondo la teoria, se una piccola quantità di massa sparisce, questa si trasforma in una grande quantità di energia, infatti la costante c rappresenta la velocità della luce, pari a 300.000km/s nel vuoto.

Energia dall’atomo

La scoperta della radioattività fu il punto di partenza delle ricerche condotte a Roma dal gruppo di ricerca guidato dal fisico italiano Enrico Fermi, soprannominato I ragazzi di via Panisperna.

Dopo la scoperta del neutrone nel 1932 da parte del fisico inglese Chadwick, Fermi, insieme ai suoi colleghi, studiarono i risultati del bombardamento dell’uranio con neutroni lenti.
L’uranio è presente in natura in due forme, una fissile (l’atomo si può dividere in più parti) e l’altra no. In particolare l’uranio fissile, l’uranio 235 è circa l'1% del totale, ma la percentuale può essere incrementata con un processo di arricchimento.

Il gruppo guidato da Fermi nel 1934 riuscì a bombardare un nucleo di uranio pensando che dalla reazione si fossero formati i primi elementi allora conosciuti più pesanti dell’uranio.
Seguendo il lavoro di Fermi, Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassman a Berlino proseguirono a bombardare nuclei di uranio con neutroni e a osservare i prodotti del decadimento.

Nel dicembre 1938 Hahn scrive alla Meitner di aver identificato del bario tra i prodotti della reazione: questo apparentemente non aveva senso, perché un nucleo non si pensava si potesse spezzare per dare elementi più leggeri.
Durante le vacanze di Natale del 1938 Lise Meitner e il fisico Otto Frisch furono in grado di spiegare i sorprendenti risultati degli esperimenti condotti a Berlino da Hahn e Strassman e capirono che qualcosa di apparentemente impossibile si stava realizzando: un nucleo di uranio bombardato si spezzava in due frammenti rilasciando una grande quantità di energia: da dove proveniva questa energia? Meitner calcolò che la massa dopo l’urto doveva essere inferiore a quella prima dell’urto e la relazione di Einstein poteva spiegare come questa massa si fosse in realtà trasformata in energia.

Per i loro studi Meitner e Frisch non ottennero il Nobel, che venne invece assegnato a Hahn nel 1944 che tacque sul ruolo svolto dalla Meitner nelle ricerche.

In pratica, un nucleo di U²³⁵ (uranio 235) bombardato con un neutrone lento si spezza in due frammenti di bario e kripto e rilascia tre neutroni, vedi Figura 7. Il rilascio di questi tre neutroni può provocare un effetto valanga andando a colpire nuclei vicini di uranio e rilasciando un enorme quantità di energia attraverso un’esplosione.

Si capì così che all’interno degli atomi si nasconde una grandissima quantità di energia e si intuì come questa poteva essere liberata: questo fenomeno aprirà la strada allo sviluppo di un’arma nucleare durante la Seconda Guerra Mondiale e in seguito al possibile sfruttamento dell’energia degli atomi per usi civili (energia nucleare).

Progetto Manhattan

Fermi era in viaggio per la Svezia per ricevere il premio Nobel per i suoi studi sull’uranio quando nel 1938 vennero promulgate le Leggi Razziali: da quel viaggio non fece più ritorno in Italia.

Fermi si trasferì negli Stati Uniti e fu messo a capo del progetto per realizzare la prima reazione nucleare artificiale controllata, che avvenne il 2 dicembre 1942 a Chicago nel reattore Chicago-Pile 1.
Dal 1942 gli Stati Uniti diedero avvio al Progetto Manhattan: sotto la direzione del fisico Robert Oppenheimer molti scienziati americani, inglesi e canadesi, nei laboratori di Los Alamos, nel deserto del New Mexico, portarono avanti lo sviluppo di un’arma atomica.
Durante il Trinity Test, il 16 luglio 1945, gli Stati Uniti riuscirono a far esplodere la prima arma atomica.

Due armi atomiche, una basata sul plutonio, l’altra sull’uranio, furono poi utilizzate nell’agosto del 1945 sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki, provocando decine di migliaia di vittime.