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.

Come le reazioni chimiche, anche quelle nucleari  possono essere esoenergetiche o endoenergetiche. Nei processi endoenergetici la massa del sistema diminuisce dopo la reazione e l’energia che si libera appare come energia cinetica dei prodotti di reazione. Nei processi endoenergetici, la massa del sistema aumenta in seguito alla reazione e occorre fornire ai reagenti una quantità equivalente di energia cinetica.

Il bilancio energetico o tonalità termica Q di una reazione nucleare corrisponde appunto all’energia liberata o assorbita misurata generalmente in MeV. ( 1 mega elettronvolt = 106 eV). Nelle reazioni esoenergetiche Q è preso con segno positivo, in quelle endoenergetiche con il segno negativo e il valore di Q è spesso incluso nell’equazione di reazione. Per esempio, l’equazione:

11B + 1H → 8Be + 4He + 8.57 MeV

Indica che si liberano 8.57 MeV per ogni nucleo di 8Be formato. Tenendo conto dell’equivalenza tra massa e energia: E = mc2 si evince che Q sarà proporzionale alla diminuzione ( – Δn) della massa del sistema provocata dalla reazione: Q = – Δmc2

e cioè per la generica reazione nucleare:

X + x → Y + y

In cui Δm = mY + my – (mX + mx) si avrà:

Q = – Δmc2= (mX + mx – mY – my) c2

Conoscendo le masse dei nuclei e delle particelle è così possibile calcolare il valore di Q per una reazione qualsiasi. In generale, l’energia in gioco nelle reazioni nucleari è molto più elevata che nelle reazioni chimiche. L’esoergenicità di 8.57 MeV della reazione 11B(p,α) 8Be corrisponde a circa 2 x 108 kcal mol-1 circa un milione di volte più elevata rispetto all’energia di una tipica reazione chimica. Ciò spiega la notevole variazione di massa che si osserva nelle reazioni nucleari.

Le tecniche usate nello studio delle reazioni nucleari sono considerevolmente diverse da quelle utilizzate generalmente nelle reazioni chimiche, in cui l’energia di attivazione è per lo più fornita dall’agitazione termica delle molecole e dove si osserva la simultanea trasformazione di un numero enorme di molecole. Nello studio delle reazioni nucleari, l’energia necessaria non può essere fornita dall’agitazione termica dei nuclei (occorrerebbero, infatti temperature di milioni di gradi), ma è ottenuta bombardando nuclei stazionari (bersaglio) con fasci di fotoni o particelle che agli inizi del ‘900 erano ottenuti con valori assai modesti di energia, dal decadimento dei radioelementi naturali e che attualmente sono invece accelerati ad alta energia con macchine acceleratrici ( acceleratori lineari, ciclotroni, sincrotroni ecc.). Poiché la probabilità di interazione tra una particella energetica e un nucleo è in generale bassa, lo studio delle reazioni nucleari viene di solito effettuato su un numero assai limitato di eventi individuali, e ciò comporta, rispetto alla cinetica chimica l’uso di grandezze diverse per descrivere la velocità di reazione.

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Author: Chimicamo

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