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§ 1. LA TEORIA ATOMICA

 

L’enorme quantità di materiale sperimentale fornito dalla ricerca sulle reazioni nucleari ha consentito di tracciare con successo le linee fondamentali di una teoria della struttura dei nuclei che si cerca tuttora di approfondire e perfezionare. Si indicano brevemente, qui di seguito, alcune delle principali scoperte relative alla struttura ed alle caratteristiche dei nuclei.

 

1.   Il nucleo è costituito da protoni e neutroni; per un determinato elemento il numero di protoni è fisso, quello dei neutroni è, in genere, variabile.

2.   Le consuete proprietà chimico-fisiche di un elemento dipendono dal numero dei protoni contenuti nel nucleo (numero atomico), il quale determina quindi il posto che l’elemento stesso occupa nella tabella di Mendeleev.

3.   Il fenomeno dell’isotopia è dovuto alla presenza dei neutroni nel nucleo: esistono atomi di egual numero atomico (cioè, dal punto di vista chimico-fisico, atomi di uno stesso elemento) che contengono un diverso numero di neutroni; la presenza di questi non influisce sulle proprietà fisico-chimiche, ma soltanto su quelle nucleari oltre che, ovviamente, sul peso atomico. Due isotopi dello stesso elemento avranno dunque:

 

·      pesi atomici diversi ed assai prossimi a numeri interi ( considerato che l’unità di misura dei pesi atomici è l’atomo di idrogeno, e quindi, il protone, il peso atomico di un isotopo puro sarà un numero assai vicino a quello – ovviamente intero – dei protoni e dei neutroni contenuti nel nucleo: si ricordi che protoni e neutroni hanno massa pressoché uguale e che gli elettroni hanno massa praticamente trascurabile);

·      identiche proprietà chimico-fisiche;      

·      differenti proprietà nucleari.

 

Il nucleo non può essere tenuto insieme da forze di tipo elettrostatico in quanto esse risultano repulsive, avendo i protoni carica dello stesso segno: occorre, quindi, postulare l’esistenza di forze nucleari, la cui natura non è del tutto chiarita. Si sa, comunque, che l’energia di legame dovuta a tali forze è enorme[i] e viene accompagnata da una perdita di massa. Si conoscono, infatti, con grande precisione la massa del protone e quella del neutrone: quando queste particelle sono riunite a formare il nucleo, la massa di quest’ultimo dovrebbe risultare pari alla somma delle masse dei suoi costituenti. Si è constatato invece che la massa del nucleo risulta sempre inferiore a quella che si ottiene sommando le masse dei protoni e dei neutroni che esso contiene; la differenza tra i due valori viene chiamata difetto di massa. Accurate misure calorimetriche eseguite su alcune trasformazioni radioattive hanno, inoltre, consentito di verificare la piena corrispondenza dei risultati sperimentali con l’equazione di Einstein E = mc2: l’incremento o il difetto di massa risultano cioè proporzionali all’energia irradiata o assorbita dal nucleo, ed il coefficiente di proporzionalità ha valore pari a c2.[ii]

La legge di Einstein è stata verificata sperimentalmente in entrambi i sensi possibili: si sono constatate, cioè,  sia la trasformazione di massa in energia, sia la trasformazione di energia in massa. Questo basilare principio che sostituisce, a livello atomico, quello della conservazione della massa e quello della conservazione dell’energia fondendoli in uno solo, serve di guida anche per l’interpretazione di diversi altri fenomeni nucleari, oltre a quello del difetto di massa. Si è detto che la radioattività naturale è accompagnata dall’emissione di raggi a, b, g. Le particelle a che hanno carica positiva pari a 2e e massa quadrupla di quella del protone, risultano costituite ciascuna da due protoni e due neutroni e si può quindi immaginare che esse siano contenute nel nucleo dell’elemento radioattivo e da esso espulse; i raggi g sono radiazioni elettromagnetiche e sono quindi soltanto energia emessa dal nucleo; i raggi b sono invece elettroni: il nucleo contiene quindi anche elettroni? Poiché esistono parecchi fatti che portano ad escludere questa possibilità, occorre quindi domandarsi da dove provengano i raggi b. Prima di fornire una risposta  a questa domanda, occorre accennare anche al fatto che sono state scoperte alcune nuove particelle elementari che, in genere, hanno vita estremamente breve: in particolare è stata accertata (1932) l’esistenza dell’elettrone positivo (positone o positrone); in tempi più recenti sono state scoperte altre particelle, appartenenti alla cosiddetta antimateria, particelle cioè con caratteristiche opposte a quelle delle particelle già note, nel senso che l’urto reciproco provoca l’annichilimento di entrambe: l’antiprotone (1955) o protone con carica negativa, l’antineutrone (1956) ed altre.

Lo studio dei raggi cosmici, cioè di radiazioni provenienti probabilmente dagli spazi interstellari, ha permesso, inoltre, di individuare l’esistenza di numerose altre particelle di massa intermedia tra quella del protone e dell’elettrone (mesoni) e di altre ancora di massa superiore a quella del protone. È il caso del neutrino, particella elettricamente neutra e di massa inferiore a quella dell’elettrone: anche la sua esistenza era stata intuita in base a considerazioni teoriche e fu poi confermata sperimentalmente nel 1956.

La scienza si è posta il problema di dimostrare dove si collochino quelle particelle e di definire quale sia la struttura completa del nucleo atomico.

La risposta è stata che il protone ed il neutrone rappresentano le due particelle più stabili del nucleo (le quali, tuttavia, si possono anche trasformare l’una nell’altra): le altre – elettroni di origine nucleare (raggi b), positroni – sono generate da una trasformazione dell’energia in massa, cioè in materia, o vengono annichilite nella trasformazione opposta.

Si potrebbe concludere, con un’immagine suggestiva, che il nucleo atomico è un microscopico grumo di materia/energia nel quale le due entità, antitetiche a livello macroscopico, risultano fuse nell’indistricabile unilateralità dell’essere.  

 

 

Energia associata alle reazioni nucleari

 

La quantità di energia che entra in gioco nelle reazioni nucleari, cioè nei processi sia naturali, sia artificiali di trasformazione dei nuclei, è enorme, se si tiene conto dell’estrema piccolezza dei nuclei stessi. Ad esempio, l’energia di legame di un nucleo di carbonio 12 (C12) è dell’ordine delle centinaia di migliaia di miliardi di joule.

 Non tutta questa energia viene liberata nel caso di una reazione nucleare, ma soltanto una piccola frazione di essa: questa risulta comunque di gran lunga più elevata dell’energia che entra in gioco nelle comuni reazioni chimiche. Mentre queste ultime sono facilmente realizzabili su scala macroscopica[iii], per cui l’energia che si libera assume valori tali da poter essere utilizzata praticamente, quasi tutte le reazioni nucleari sono realizzabili soltanto su scala microscopica, in quanto soltanto un numero molto limitato di atomi partecipa ad esse, sebbene l’energia in gioco sia relativamente (cioè per unità di massa) molto più grande, non è quindi normalmente possibile svilupparne quantità apprezzabili ed utilizzabili in pratica.

Esistono, tuttavia, reazioni nucleari che si possono realizzare anche su scala macroscopica, facendo sì, cioè, che esse interessino i miliardi di atomi contenuti in una porzione di materia di qualche chilogrammo: l’energia in gioco, in questi casi, risulta spaventosa.

 

 

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[i] È questa energia, come è noto, che si libera nelle bombe atomiche e nei reattori nucleari.

[ii] Nelle normali reazioni chimiche le energie in gioco sono relativamente modeste, per cui la variazione di massa, dato l’enorme valore del coefficiente di proporzionalità c2 , è assolutamente inapprezzabile.

[iii] Possono, cioè, partecipare ad una reazione chimica quantità di sostanze valutabili in termini, ad esempio,di kilogrammi.