Reazioni nucleari: teoria del nucleo composto

Le reazioni nucleari, contrariamente alle altre reazioni chimiche, riguardano il nucleo di un atomo che si trasforma in un altro atomo

Le reazioni nucleari secondo la teoria di Bohr del nucleo composto avanzata nel 1936 avvengono in due tempi.

Dapprima la particella incidente urtando il nucleo bersaglio si fonde in esso formando il nucleo composto. In questa fase si ha cessione di energia cinetica della particella e della sua energia di legame.

L’energia introdotta dalla particella incidente è condivisa tra i gradi di libertà del nucleo composto, come è il caso di quando i corpi sono riscaldati. A causa di fluttuazioni statistiche, una o più particelle nucleari possono acquisire un’energia che è maggiore del valore medio di energia. Essa permette tali particelle a lasciare il nucleo “riscaldato”. Questo processo è analogo alla evaporazione di un liquido e determina il decadimento del nucleo composto. La vita media di un nucleo composto (10^-15-10^-14 sec) è molte volte maggiore del tempo richiesto da una particella per attraversare la regione di spazio occupato dal nucleo.

Nucleo composto

Durante questo tempo brevissimo il nucleo composto esiste come entità a sé e l’energia apportata è distribuita uniformemente tra i nucleoni. Se la particella incidente sul nucleo è una particella carica come ad esempio un protone, un deuterone, un tritione o una particella alfa, tale particella per entrare in collisione con il nucleo deve superare una barriera dovuta a forze repulsive di origine elettrostatica generate dalle cariche del nucleo dovuta a forze repulsive di natura elettrostatica generate dalle cariche del nucleo stesso.

Per questa ragione occorre che la particella carica incidente sia provvista di una energia cinetica sufficiente a farle superare tale barriera. Se invece la particella incidente è priva di carica elettrica, come ad esempio il neutrone, esso può raggiungere e collidere con il nucleo senza superare alcuna barriera: per questo motivo le reazioni con i neutroni cosiddetti termici ovvero dotati di energia cinetica corrispondente a quella dell’agitazione termica nel caso di molecole gassose sono molto diffuse.

Anche i fotoni gamma non hanno energia elettrica ma poiché la loro interazione con il nucleo non contribuisce energia di legame le reazioni di questo tipo sono assai rare.

Alla formazione del nucleo composto segue la disintegrazione del nucleo con formazione dei prodotti di reazione segue la disintegrazione del nucleo con formazione dei prodotti di reazione.

Infatti a causa dell’energia trasmessa dalla distribuzione dell’energia di legame della particella catturata e dalla sua energia cinetica il nucleo composto si trova in condizioni di forte instabilità.

Quantunque lo stesso nucleo composto possa essere formato in più di un modo il suo successivo comportamento è indipendente dal modo di formazione ma dipende solo dall’energia a sua disposizione. A seconda dell’energia disponibile sia derivante dall’energia cinetica che dalla cessione delle energie di legame il nucleo composto può rompersi con l’emissione di uno o più nucleoni oppure in stati stazionari da cui decade solo per emissione di raggi γ .

Ampiezza di livello

Ogni stato eccitato di nucleo composto è caratterizzato dalla vita media τ del nucleo composto in quello stato particolare. Nella reazioni nucleari è introdotta una grandezza Γ detta ampiezza di livello definita come:

Γ = h / 2πτ essendo h la costante di Planck

Ogni possibile modo di decadimento del nucleo composto è determinato dallo stato del nucleo che si disintegra secondo quel particolare canale. Cioè  la probabilità di disintegrazione è proporzionale all’ampiezza Γ del livello energetico del nucleo stesso. Così, ad esempio, per reazione tra un atomo di rame e un deuterone si forma un nucleo composto ( ⁶⁵₃₀Zn):
₂₉⁶³Cu + ₁²H → ⁶⁵₃₀Zn

A sua volta, a seconda dell’energia disponibile il nucleo composto dello zinco può comportarsi in diversi modi.

emettendo raggi γ

⁶⁵₃₀Zn → ⁶⁵₃₀Zn + γ

emettendo un neutrone

⁶⁵₃₀Zn → ⁶⁴₃₀Zn + ¹n

emettendo un atomo di protio

⁶⁵₃₀Zn → ₂₉⁶⁴Cu + ₁¹H

emettendo un atomo di elio

⁶⁵₃₀Zn → ₂₈⁶¹Ni + ₂⁴He

emettendo tritio

⁶⁵₃₀Zn → ₂₉⁶²Cu + ₁³H

emettendo deuterio

⁶⁵₃₀Zn → ₂₉⁶³Cu + ₁²H