Reazioni nucleari: radioattività

Le reazioni nucleari sono rappresentate tramite equazioni in cui compaiono  i simboli dei nuclei reagenti e dei nuclei prodotti, con gli opportuni coefficienti di bilanciamento. Le reazioni nucleari avvengono quando un nucleo atomico si scontra con un altro nucleo atomico o una particella subatomica per produrre uno o più nuovi nuclidi.

Esistono tre tipi di reazioni nucleari: fissione nucleare, fusione nucleare e decadimento radioattivo. La scoperta della radioattività  risale al 1896 e attribuita a Henry Becquerel e risale al 1896.

Storia

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 verificò 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.
Dopo lo sviluppo la lastra 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 di essi concluse 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
• una radiazione γ molto più penetrante.

Da Becquerel ai Ragazzi di Via Panisperna

Con il metodo messo a punto da Thomson si comprese 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.

Reazioni nucleari

Le reazioni nucleari sono processi in cui uno o più nuclidi sono prodotti dalle collisioni tra due nuclei atomici o tra un nucleo atomico e una particella subatomica. Ad 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. Pertanto la somma dei numeri atomici e dei numeri di massa deve avere lo stesso valore nei due membri dell’equazione. Inoltre rimane invariata 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.

Bilancio energetico

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 = m_Y + m_y – (m_X + m_x) si avrà:

Q = – Δmc²= (m_X + m_x – m_Y – m_y) 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 · 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.

Tecniche

Le tecniche usate nello studio delle reazioni nucleari sono considerevolmente diverse da quelle utilizzate generalmente nelle reazioni chimiche. In esse  l’energia di attivazione è per lo più fornita dall’agitazione termica delle molecole. Si osserva inoltre 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). Infatti si ottiene  bombardando nuclei stazionari (bersaglio) con fasci di fotoni o particelle.

Agli inizi del ‘900 erano ottenuti  valori assai modesti di energia, dal decadimento dei radioelementi naturali. 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 è di solito effettuato su un numero assai limitato di eventi individuali. Ciò comporta, rispetto alla cinetica chimica l’uso di grandezze diverse per descrivere la velocità di reazione.