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Ciò non di meno il nucleo esiste e questo è un dato
di fatto. Siamo quindi costretti o a rinunciare ad ogni possibile spiegazione o
a chiederci se esista un'altra forza, a noi sconosciuta, capace di tenere
insieme il nucleo dell'atomo. L'esistenza stessa del nucleo atomico ci pone un
problema inesplicabile sulla base delle conoscenze della Fisica Classica, ma ci
indica anche la via per la ricerca di una possibile soluzione: l'esistenza di
altre forze, le forze nucleari, capaci di tenerlo assieme. Evidentemente tutto
ciò può sembrare semplicistico: se procedessimo per spiegazioni costruite
"ad hoc" ogni volta che
ci si presenta qualche fatto apparentemente inesplicabile, la scienza moderna
non sarebbe mai nata. In effetti, si procede ad inserire nuovi concetti, solo se
nessun altra spiegazione è possibile. E successivamente bisogna trovare un gran
numero di conferme dell'ipotesi fatta. Nel caso nostro dovremo chiederci come la
nuova forza agisca, per quali motivi non sia mai stata osservata in precedenza,
ecc... Questo
lavoro fu svolto a partire dal 1930 circa da un vasto gruppo di fisici. Uno dei
nuclei più attivi era il cosiddetto gruppo di via Penisperna, dal nome della
via di Roma dove aveva sede l'Istituto di Fisica, diretto da Enrico Fermi. I
loro punti di partenza erano due. Da un lato essi cercavano di capire meglio le
proprietà di elettroni, protoni e neutroni, particelle all'epoca appena
scoperte. Dall'altro essi cercavano di spiegare come la stragrande maggioranza
dei nuclei fosse "stabile", cioè rimanessero inalterati nel tempo, e
un piccolo numero, tra i più pesanti, generalmente artificiali, cioè creati in laboratorio, avessero vita
brevissima: questi nuclei, detti radioattivi, tendono a spezzarsi in vari
frammenti. Prima di
procedere oltre appare opportuno introdurre il concetto di isotopo. Bisogna
precisare che tutte le proprietà di una atomo dipendono esclusivamente dal
numero di elettroni (e quindi protoni) che esso possiede. Quindi, se ad un atomo
di calcio aggiungiamo o togliamo un neutrone, questi rimarrà sempre un atomo di
calcio. Gli atomi di uno stesso elemento che hanno un numero di neutroni diverso
sono detti isotopi di quell'elemento. Tanto per fare un esempio, un nucleo
composto da 20 protoni e 21 neutroni è uno degli isotopi del calcio. Qualunque
nucleo composto da 20 protoni sarà ancora un nucleo di calcio. Ma gli isotopi,
come quello con 21 neutroni per il calcio, tendono, con il passare del tempo a
divenire stabili acquistando o cedendo neutroni. Queste reazioni sono dette reazioni
radioattive e sono state studiate, per l'appunto, dal gruppo di Enrico Fermi
per determinare le proprietà delle forze nucleari. Ritorniamo
ora al problema centrale. Le forze nucleari devono essere intensissime, per
poter tenere insieme, a distanza molto piccola, molti protoni con la stessa
carica. Per di più esse devono essere praticamente inefficienti al di fuori del
nucleo atomico stesso, altrimenti della loro esistenza ci saremmo accorti ben
prima, così come accadde con le forze gravitazionali ed elettromagnetiche. Esse
quindi saranno attive a distanze inferiori al miliardesimo di millimetro, ma
inefficaci a distanze maggiori.
Le forze nucleari devono compiere un certo lavoro per
mettere assieme il nucleo, partendo
con protoni e neutroni isolati e
avvicinandoli via via fino alle distanze alle quali essi si trovano all'interno
del nucleo. Durante questa operazione le forze elettriche lavorano
"contro", nel senso che esse tenderebbero a tenere i protoni, di
carica uguale, il più possibile lontani gli uni dagli altri. Quindi per mettere
insieme il nucleo dovremmo spendere una certa quantità di energia, esattamente
eguale al lavoro che dobbiamo compiere. Questa energia rimarrà poi
immagazzinata nel nucleo fino a quando qualcuno non lo rompa. Per ogni protone
che avviciniamo ad una certa distanza ad un altro spenderemmo quindi una certa
quantità di energia, energia che rimane poi imprigionata nella struttura che
abbiamo creato. Non tutti i nuclei sono fatti allo stesso modo, nel
senso che le posizioni reciproche dei protoni in diversi nuclei sono diverse. Di
conseguenza le energie spese nella costruzione dei diversi tipi di nucleo
saranno diverse. Ogni tipo di nucleo avrà immagazzinata dentro di sé, quindi,
una diversa quantità di energia, caratteristica del tipo di nucleo in
questione. Tutto ciò è vero sia per i nuclei "naturali ", quelli cioè
che si trovano in natura, sia per quelli "artificiali", cioè
costruiti in laboratorio.
Se
prendiamo un nucleo di uranio, ad esempio, e lo rompiamo per ottenere due nuclei
più leggeri, è possibile che nei due nuclei più leggeri sia immagazzinata in
totale meno energia di quanta ne era immagazzinata originariamente nel nucleo di
uranio. In questo caso nel rompere il nucleo avremo un guadagno netto di
energia. Ciò non è obbligatorio. A priori anche la situazione opposta potrebbe
essere legittima: cioè che nel nucleo iniziale sia immagazzinata meno energia
che nei nuclei ottenuti dalla sua rottura. In questo caso per spezzare il nucleo
saremo noi a dover fornire l'energia mancante. Per i materiali più pesanti
accade proprio che l'energia totale dei due nuclei residui ottenuti dalla
frammentazione di quello originario sia minore dell'energia di partenza. In
questo caso l'energia disponibile viene immediatamente liberata. Questo è il
principio della fissione nucleare. Fissione significa rottura,
frammentazione. Possiamo
ora chiederci cosa accade fondendo due nuclei più leggeri in uno più pesante.
Anche in questo caso ci sono, a priori, due possibilità: o l'energia
immagazzinata alla fine nel nucleo più pesante è maggiore o è minore di
quella originariamente immagazzinata nei due nuclei più leggeri. Nel primo caso
dovremmo spendere energia, nel secondo ne guadagneremmo, realizzando la fusione.
Questo è il principio della fusione nucleare. Bisogna
stare attenti a non confondersi: o si guadagna energia fondendo due nuclei in un
certo nucleo, o la si guadagna spezzando lo stesso nuclei nei due più leggeri.
Il fatto di poter guadagnare energia in entrambi i casi è escluso: si
potrebbero produrre quantità illimitate di energia, ripetendo il ciclo di
fissione-fusione, dal nulla. In effetti ciò che risulta conveniente è o
spezzare nuclei pesanti in nuclei medi o fondere nuclei leggeri in nuclei medi.
Quindi abbiamo due possibili tipi di "carburante" per le reazioni
nucleari: o nuclei molto pesanti come uranio o plutonio(fissione), o nuclei
molto leggeri come idrogeno o elio(fusione). In generale potremo quindi
affermare che i nuclei di peso intermedio immagazzinano meno energia sia
rispetto a quelli pesanti, sia rispetto a quelli leggeri. Quando
compiamo un processo di fissione o di fusione, in entrambi i casi partiamo con
più energia immagazzinata di quanta ce ne sia alla fine nei cosiddetti prodotti
di reazione. Dove finisce l'energia mancante? Essa viene liberata ed è
immediatamente disponibile per qualsiasi altro uso. Come viene liberata energia?
Essenzialmente in due modi: o sotto forma di calore, quando il combustibile si
riscalda insieme a tutto quello che
lo circonda, o sotto forma di particelle veloci che si allontanano. Il primo
meccanismo è molto familiare: è lo stesso che usiamo per far bollire una
pentola d'acqua liberando energia con la fiamma del gas. Il secondo meccanismo
è, invece, possibile perché non è detto che tutti i protoni, i neutroni e gli
elettroni inizialmente a disposizione finiscano poi nei nuclei residui. Quelli
che avanzano si allontanano velocemente dalla zona di reazione portando con sé
parte dell'energia liberata proprio come fa un proiettile in moto che, grazie
alla sua energia, riesce a penetrare un materiale o a rompere un vetro. Il
problema successivo è capire se questa energia sia disponibile per scopi
pratici. Un uso militare, ad esempio, richiederebbe non solo la disponibilità
di una grande quantità di energia, ma anche che essa sia effettivamente
disponibile in un tempo molto breve: molta energia a disposizione in un tempo
molto breve significa poter provocare un'esplosione. Molta energia disponibile,
ma su tempi relativamente lunghi, significa, invece, disporre di una fonte di
energia alternativa per usi civili ed industriali. In sottofondo: F. Chopin, Notturno n. 2 in MI bemolle magg. , Op. 9 n.2 |
