Crea sito

Storiaestorie

di Giorgio Baruzzi

Uranio-235 e Plutonio.

[Progetto Manhattan]

E=mc2Quando Einstein nel 1905 formulò la rivoluzionaria equazione E = mc2 (lenergia contenuta o emessa da un corpo equivale alla massa per la velocità della luce nel vuoto al quadrato), gran parte dei fisici e degli ingegneri non le attribuì grande importanza pratica e neppure Einstein, probabilmente, poteva prevederne l’applicazione.

Tuttavia, proprio nel campo della fisica nucleare il principio einsteiniano ebbe le sue più convincenti conferme, quando i fisici realizzarono la fissione dell’atomo.

La fissione nucleare è un processo in cui il nucleo di un elemento chimico pesante decade in nuclei di atomi a numero atomico inferiore (cioè con minor numero di protoni).

Alcuni materiali fissili (come l’Uranio-235) hanno la potenzialità di dar vita a una reazione a catena, cioè a un processo di fissione nucleare che si autoalimenta, producendo grandi quantità di energia.

Il 31 agosto 1939 Bohr e John A. Wheeler pubblicarono un articolo scientifico in cui sostenevano che nel minerale di uranio era l’isotopo U-235 a sostenere la reazione a catena e non l’U-238. I due fisici formularono inoltre l’ipotesi dell’elemento 94 (il plutonio), elemento altamente fissionabile. I fondamenti teorici della bomba atomica erano così sostanzialmente posti: la ricerca doveva concentrarsi sull’U-35 e sul plutonio.

In natura l’uranio si trova in combinazione chimica con altri elementi, dai quali viene separato attraverso procedimenti chimico-metallurgici. L’uranio metallico ottenuto è una miscela composta per lo 0,7% dall’isotopo U-235 e per il 99,3% dall’isotopo U-238. Gli isotopi sono atomi che hanno numero atomico uguale ma massa atomica diversa: l’U-235 ha le stesse proprietà chimiche dell’U-238 ma un diverso peso atomico dovuto a un diverso numero di neutroni. L’U-235 ha 92 protoni e 143 neutroni con peso atomico 235, l’U-238 ha 92 protoni e 146 neutroni con peso atomico 238.

Poiché era l’Uranio-235 che interessava per la produzione della bomba atomica, esso doveva essere separato dall’U-238. Altro elemento altamente fissile è il plutonio, prodotto artificialmente: si forma dal decadimento dell’U-239, prodotto dall’assorbimento nell’U-238 di un neutrone. I due problemi che i fisici del progetto Manhattan dovevano quindi risolvere erano come produrre U-235 e plutonio in quantità sufficiente per costruire la bomba nucleare.

Hiroshima e Nagasaki dimostrarono la validità pratica della formula di Einstein:

la scienza fu messa al servizio della guerra e da strumento di progresso divenne strumento di morte.

Vedi: http://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/744-144-in-un-sito-ho-letto-che-la-fusione-di-due-nuclei-di-idrogeno-comporta-che-una-quantita-di-massa-si-trasforma-in-energia-che-cosa-vuol-dire

Index Storiaestorie

Index Tematiche

Index Cinemaestoria

Link Utili

La fissione nucleare

Se un nucleo di Uranio 235 si fissiona, cioè si separa in due nuclei più leggeri e due neutroni, la massa totale delle quattro particelle emesse è normalmente inferiore alla massa del nucleo di uranio.

La differenza tra la massa dell’Uranio e la massa dei prodotti della fissione (le quattro particelle) si trasforma in energia.

Questa energia si manifesta in gran parte come energia cinetica (cioè velocità) delle particelle emesse. Questa energia cinetica microscopica viene trasferita mediante urti multipli al materiale circostante che si scalda. Se il processo di fissione coinvolge un numero molto elevato di nuclei di Uranio, mediante una reazione a catena, si produce una enorme quantità di energia che può essere utilizzata dall’uomo. Se la reazione a catena avviene lentamente in condizioni controllate possiamo costruire un reattore nucleare per produrre energia elettrica, se invece la reazione avviene in un tempo brevissimo in forma esplosiva abbiamo una bomba nucleare con gli effetti devastanti che oramai conosciamo.

In principio anche le reazioni chimiche liberano energia a scapito della massa dei prodotti della reazione che bruciano (come diciamo nel linguaggio corrente). La differenza tra una reazione chimica ed una nucleare è nella quantità di energia liberata. Quando un atomo di carbonio brucia, cioè si combina chimicamente con l’ossigeno dell’aria per formare l’anidride carbonica CO2, si libera una energia dell’ordine di 1 elettronVolt (1 eV).

Quando “brucia” un atomo di Uranio, cioè il suo nucleo si fissiona, si liberano circa duecento milioni di elettronvolt (200 MeV).

Naturalmente non è possibile convertire tutta la massa di un nucleo di Uranio in energia perché questo processo violerebbe diverse leggi della fisica dalla conservazione della carica alla conservazione del numero dei barioni, cioè la conservazione del numero complessivo di protoni e neutroni. Circa un millesimo della massa viene convertita in energia in un processo di fissione, ma questa frazione è cento milioni di volte più grande della massa che viene convertita in energia in una reazione chimica.

L’U-235

Un tipico esempio di fissione è dato dalla reazione che avviene a carico dell’uranio-235 definito fissile. Il processo viene innescato dal bombardamento del nucleo di U-235 con un neutrone: luranio lo assorbe, aumentando il proprio numero di massa di una unità (da 235 a 236); a questo punto subisce la fissione, scindendosi in due nuclei, bario e kripton. La somma dei numeri atomici di questi ultimi è 92 (coincide con il numero atomico del nucleo delluranio) ma la somma dei loro numeri di massa è pari a 233, dunque inferiore di 3 unità al numero di massa delluranio dopo lassorbimento del neutrone: ciò in quanto dalla reazione vengono emessi anche 3 neutroni più raggi gamma. L’emissione di neutroni consente l’autopropagazione della fissione (reazione a catena), in quanto basta che almeno uno di essi vada, a sua volta, a bombardare un altro nucleo di U235 perché la fissione si ripeta, liberando altri 3 neutroni e così di seguito.

U-238 e plutonio

Non subisce la fissione l’altro isotopo dell’uranio, cioè U-238: questo, bombardato con un neutrone, lo assorbe, aumentando il suo numero di massa da 238 a 239 (mentre il numero atomico rimane lo stesso, 92). A questo punto, però, non si ha la fissione, bensì l’emissione da parte del nucleo di un raggio beta, ossia di un elettrone: tale evento comporta l’aumento di una unità del numero atomico da 92 a 93, e la generazione di una nuova specie chimica, ossia il nettunio (Np). Anche questo emette un raggio beta così che il suo numero atomico passa da 93 a 94 generando il plutonio (94Pu239), fissile. Il nucleo dell’U238 non è fissile ma fertile, in quanto genera un nucleo fissile come il plutonio attraverso la “fertilizzazione”.

I primi processi di fissione

I primi processi di fissione furono ottenuti nel 1936 da un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi, i cosiddetti “ragazzi di via Panisperna” mentre bombardavano dell’uranio con neutroni rallentati per mezzo di paraffina. Il gruppo di fisici però non si accorse di ciò che era avvenuto ma ritenne invece di aver prodotto degli elementi transuranici (elementi chimici con numero atomico maggiore di 92). Tre anni dopo, alcuni fisico-chimici tedeschi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Straßmann, furono i primi a capire che un nucleo di uranio 235, colpito quando assorbe un neutrone si rompe in due o più frammenti ed ha luogo cosi la fissione del nucleo. A questo punto per i fisici nucleari di tutto il mondo fu chiaro che si poteva usare questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari.

Print Friendly, PDF & Email