Reazioni nucleari: dalla scoperta della radioattività al bilancio energetico

La scoperta della radioattività viene attribuita a Henry Becquerel e risale al 1896.

Fu una scoperta casuale, conseguenza di studi effettuati  per comprendere la natura dei raggi X: sembrava erroneamente che tali raggi fossero connessi alla fluorescenza verde del vetro del tubo in cui venivano prodotti raggi catodici.
Becquerel volle verificare se le sostanze fluorescenti naturali avevano capacità di emettere raggi dopo l’esposizione alla luce solare. A tale scopo impiegò una sostanza fluorescente costituita da un sale di uranio. Poiché il cielo nuvoloso non consentiva l’esposizione del campione alla luce del sole, Becquerel ripose i cristalli entro un involucro di una lastra fotografica avvolta in una carta nera.
Quando la lastra fu sviluppata mostrò chiaramente l’effetto di radiazioni che non potevano provenire che dall’interno dello stesso involucro, cioè dalla sostanza che vi era stata avvolta.

Questa scoperta suggerì a Becquerel di ricercare la causa di queste radiazioni con una serie di altri esperimenti al termine dei quali poté concludere che le radiazioni erano dovute unicamente alla presenza di uranio nella sostanza. Marie Curie con ricerche successive mostrò che altri due elementi possedevano le stesse proprietà di emettere “raggi naturali”, il polonio e il radio.
L’esame delle radiazioni emesse dagli elementi radioattivi chiarì che esse erano costituite da tre componenti essenziali: le particelle α e β poco penetranti e una radiazione γ molto più penetrante.

Con il metodo messo a punto da Thomson si giunse a capire che la radiazione α è costituita da radiazioni aventi massa quattro volte maggiore di quella di H+ ( si tratta infatti di ioni positivi di elio He2+). In modo analogo si determinò che le radiazioni β sono costituite da elettroni dotati di velocità enormemente più elevata di quella dei raggi catodici. Il terzo tipo di radiazione, quella che fu chiamata γ risultò elettricamente neutra e molto penetrante dotata di alta energia.

Già verso la fine del 1934 l’italiano Enrico Fermi, unitamente a un gruppo di giovani ricercatori, noti come i Ragazzi di via Panisperna in cui si annoverano Ettore Majorana, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, Emilio Segrè, Bruno Pontecorvo e Oscar D’Agostino, bombardando con neutroni ben 62 elementi chimici realizzò numerose scoperte giungendo alla conclusione che sotto l’azione dei neutroni il nucleo di uranio si scinde in almeno due nuclei di peso atomico intermedio: essi chiamarono questo fenomeno fissione nucleare.

Da queste sorprendenti scoperte si è passati ad indagare la struttura subparticellare degli atomi e a comprendere che vi era la possibilità di realizzare reazioni nucleari. Dopo molti studi si è giunti a definire una reazione nucleare il processo mediante il quale, un dato nucleo, in seguito a collisione con un altro nucleo, particella elementare o fotone, si trasforma in uno o più nuclei diversi in un tempo inferiore a 10-12 s. Le reazioni nucleari vengono rappresentate tramite equazioni in cui compaiono  i simboli dei nuclei reagenti e dei nuclei prodotti, con gli opportuni coefficienti di bilanciamento, per esempio:

12C + 144Nd → 151Dy + 5 1n

E’ spesso usata una notazione abbreviata in cui una parentesi collocata tra i simboli dei nuclei iniziali e finali, indica la particella reagente e quella prodotta. Così la notazione 14N (α,p)  17O è la forma abbreviata dell’equazione:

14N + 4He → 17O + 1H

In tutte le reazioni nucleari si conserva il numero totale dei nucleoni e, con poche eccezioni, anche il numero totale dei protoni e dei neutroni e pertanto la somma dei numeri atomici e dei numeri di massa deve avere lo stesso valore nei due membri dell’equazione. Inoltre deve rimanere invariata in seguito alla reazione l’energia totale del sistema che comprende sia l’equivalente energetico della massa a riposo dei nuclei e delle particelle, sia la loro energia cinetica.

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Author: Chimicamo

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