E-school  di  Arrigo Amadori

Sintesi

Forza nucleare


01 - La forza nucleare forte.

Il nucleo degli atomi è costituito da protoni e neutroni. I protoni sono carichi di elettricità positiva ed i 
neutroni sono elettricamente neutri.

Il nucleo atomico è estremamente concentrato ed i nucleoni (protoni e neutroni) sono posti a distanze 
infinitesime.

Siccome i protoni sono caricati dello stesso segno, essi si respingono elettricamente e questa forza 
repulsiva è tanto maggiore quanto minore è la loro distanza (è inversamente proporzionale al quadrato 
della distanza). Addirittura si ha che se la distanza fra due protoni tende a zero, la forza repulsiva che 
fra essi viene ad esercitarsi tende all'infinito.

       

In teoria, quindi, se consideriamo le sole forze elettriche, i protoni non potrebbero stare confinati in un 
nucleo dalle dimensioni cosi piccole !!!

Perché i protoni possano stare assieme dentro un nucleo occorre quindi che esista un'altra forza tale da 
neutralizzare le forze elettriche repulsive. Questa forza deve essere estremamente intensa e deve essere 
a corto raggio d'azione, cioè deve esercitarsi solo quando i protoni sono a distanze minime fra loro. A 
distanze maggiori questa forza deve essere trascurabile.

La forza che tiene assieme i nucleoni nel nucleo atomico è la forza nucleare forte. Per esempio :

       

La forza nucleare forte è estremamente  intensa e, se liberata, essa sprigiona immense energie. L'energia 
che le stelle producono è dovuta alle reazioni nucleari che avvengono nel loro interno. Qui sulla terra, 
l'uomo sta utilizzando questa energia per tentare di risolvere per sempre i propri bisogni energetici ma
tuttora i problemi relativi alla produzione di questa energia sono enormi sia in termini di impatto ambientale
(scorie radioattive) che in termini di controllo della medesima (problema del confinamento della fusione).

La produzione di energia atomica in modo non controllato, invece, è un problema tecnologico (ahimè) di 
facile soluzione : le bombe atomiche e all'idrogeno stoccate nei depositi militari sono in grado di cancellare
il genere umano dal nostro pianeta !!!

02 - La forza nucleare debole.

Il nucleo atomico è una struttura generalmente stabile. In certi casi, però, un nucleo può essere instabile e 
decadere, rompersi in più parti. Questo è il fenomeno della radioattività naturale (esiste anche la radioattività 
artificiale prodotta bombardando atomi non radioattivi con particelle).

Un fenomeno legato alla radioattività è il cosiddetto decadimento beta. Un neutrone di un nucleo può 
disintegrarsi formando un protone ed un elettrone. Un neutrone ha carica nulla e produce un protone 
positivo ed un elettrone negativo, per cui la carica totale rimane invariata prima e dopo la reazione (in natura 
nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma). L'elettrone prodotto dal decadimento beta fuoriesce 
a grande velocità dal nucleo e costituisce la cosiddetta radiazione beta (raggi beta). Il protone prodotto dalla 
reazione rimane nel nucleo. 

E' chiaro quindi che nel decadimento beta il numero atomico dell'atomo che la subisce aumenta di una unità 
mentre il numero di massa rimane costante.

E' il caso del cobalto 60. Il nucleo del cobalto 60 è formato da 27 protoni e  60 - 27 = 33  neutroni. Un 
neutrone di questo nucleo può rompersi formando un protone (che rimane nel nucleo) ed un elettrone che 
fuoriesce come raggio beta. Il nuovo nucleo così modificato avrà lo stesso numero di massa ma numero 
atomico aumentato di una unità. Il cobalto 60, quindi, si trasforma in nichelio 60. La reazione si può così 
rappresentare :

          

con emissione di un elettrone.

A livello di particelle, il decadimento beta si rappresenta come :

        n p + e  .

C'è però un grosso problema. In questa reazione l'energia non è conservata. L'energia prima della reazione 
non uguaglia quella dopo la medesima. Ci si rende conto di ciò notando che sperimentalmente si verifica 
che i raggi beta prodotti fuoriescono con velocità diverse (e quindi con energia diversa) mentre dovrebbero 
avere la stessa velocità (energia).

Questo dipende dal fatto che, secondo la meccanica quantistica, l'energia a disposizione ha un valore ben 
determinato che corrisponde alla differenza di energia fra il nucleo del cobalto e quello del nichelio (che 
hanno strutture nucleari ben definite corrispondenti ad energie ben definite).

Fermi e Pauli immaginarono allora che vi fosse in gioco un'altra particella, finora sconosciuta, che portava
con sé l'energia mancante e chiamarono questa particella molto elusiva (a massa forse nulla e dotata forse 
della velocità della luce che non interagisce quasi mai con la materia) neutrino.

Piuttosto che rinunciare al principio di conservazione dell'energia, ipotizzarono l'esistenza di una nuova 
particella che poi fu successivamente rilevata !!!

La reazione di decadimento beta va quindi modificata in :

        n  p + e + ν    (la lettera greca  ν  "ni" indica appunto il neutrino).

       

Orbene, il decadimento beta è prodotto da una quarta forza fondamentale, la cosiddetta forza nucleare 
debole
.

Non ci addentriamo oltre nello studio di questa forza perché, fra le quattro, è la meno eclatante, forse la
meno interessante per quanto riguarda lo scopo di questo corso divulgativo.

Concludiamo dicendo che la forza nucleare debole è in effetti collegata alla forza elettromagnetica che per
questo viene chiamata più precisamente forza elettrodebole. Il fisico Rubbia ricevette il premio Nobel per 
avere verificato sperimentalmente questo fatto previsto in precedenza solo teoricamente.

03 - Fusione nucleare.

Supponiamo di fare avvicinare due nuclei di deuterio (isotopo dell'idrogeno formato da un protone ed un 
neutrone) a tal punto che scattino le forze nucleari. Otterremo così un nucleo di elio :

       

Questo fenomeno va sotto il nome di fusione nucleare. A partire da nuclei si ottengono altri nuclei più 
complessi ma, perché ciò accada, occorre spendere una grande energia in modo che le forze elettriche 
repulsive fra i protoni vengano neutralizzate. La quantità di questa energia necessaria affinché si verifichi 
la fusione è molto alta per cui questi fenomeni avvengono normalmente solo nelle stelle (dove le energie  
in gioco sono enormi). 

L'uomo è riuscito a produrre la fusione dell'idrogeno in maniera incontrollata nelle bombe all'idrogeno 
(o termonucleari o H) in cui da "spoletta" funge una bomba atomica (a fissione). La fusione atomica 
controllata, invece, è molto problematica ed è stata ottenuta solo per tempi brevissimi ma rimane come 
speranza per il futuro per risolvere i problemi energetici dell'umanità. 

Nella fusione nucleare dell'idrogeno (ed in altri casi, ma più problematici da riprodurre sperimentalmente) 
avviene un fenomeno particolare. La massa dei due nuclei di deuterio risulta superiore (lievemente) alla  
massa del nucleo di elio che si produce. Questa differenza di massa, detto difetto di massa, deve, a causa 
del principio di conservazione, essersi trasformata in qualche altra cosa.

Il difetto di massa si trasforma effettivamente in energia secondo la ben nota formula di Einstein :

        E = m · c ²  

(dove  E  è l'energia prodotta,  m  la massa che si trasforma in energia e  c  la velocità della luce).

Siccome la velocità della luce  c  è circa  300.000  chilometri al secondo, ovvero nel sistema 
internazionale :

        c = 300.000.000  m/s  (metri al secondo),

si capisce che l'energia prodotta è enorme. Per farci un'idea di questo immaginiamo che, creando 
elio a partire dal deuterio, si perda per difetto di massa un chilogrammo. Facendo i conti si ottiene :

        E = 1 · (300.000.000) ² = 90.000.000.000.000.000 joule 

dove il joule è l'unità di misura dell'energia nel sistema internazionale. Considerando che circa dieci 
joule corrispondono all'energia prodotta facendo cadere un corpo di massa un chilogrammo da un 
metro d'altezza nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre, lasciamo al lettore di immaginare 
quanto grande sia questa energia !!!

04 - Fissione nucleare.

Maggiore è il numero di massa, maggiore è l'instabilità del nucleo. Per questo motivo i nuclei di grande
numero di massa possono modificarsi spontaneamente o quando colpiti da altre particelle.

Un caso particolare si ha con l'uranio 235 (numero atomico 92). Se un neutrone colpisce il nucleo di un 
atomo di questo isotopo dell'uranio, esso si spezza in nuclei più piccoli emettendo anche due (o tre) neutroni 
i quali possono fare disintegrare altri nuclei di uranio e così via producendo la cosiddetta reazione a catena. 
Ognuna di queste singole disintegrazioni va sotto il nome di fissione nucleare.

Si noti che, diversamente da quanto si possa pensare, per produrre la fissione nucleare dell'uranio occorre
che i neutroni che lo bombardano siano "lenti", non eccessivamente energetici.

Ciò che caratterizza energeticamente una reazione di fissione dell'uranio è il fatto che la massa dell'uranio
prima della reazione risulta maggiore (lievemente) della massa dei prodotti della disintegrazione. Questo
difetto di massa (così come nella fusione) si trasforma in energia :

       

Modulando il numero e la velocità dei neutroni si può quindi controllare la reazione di fissione dell'uranio
ed è esattamente ciò che avviene nei reattori nucleari utilizzati per produrre elettricità in cui si usa grafite,
acqua pesante (contenente deuterio al posto dell'idrogeno normale), ecc. per controllare appunto la reazione.

Se non controllata, la reazione a catena produce una esplosione di immane potenza : la bomba atomica.

Con la fissione nucleare si ha una grande produzione di scorie radioattive il cui smaltimento rappresenta a 
tutt'oggi un problema irrisolto. 

Fine. 

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