Le forze nucleari

Il grosso degli studi sulle forze nucleari, cioè quelle in grado di tenere insieme il nucleo di un atomo, si svolsero negli anni ’40 del XX secolo.

Uno dei gruppi più attivi era quello diretto da Enrico Fermi, il noto Istituto di Fisica italiano di via Panisperna a Roma. Nei loro esperimenti cercavano di comprendere le cause e  le forze in grado di mantenere l’equilibrio stabile nei nuclei. Il gruppo studiò in laboratorio la capacità degli isotopi, ovvero degli atomi in grado di diventare stabili nel tempo acquistando o cedendo neutroni. Queste reazioni sono dette “nucleari”.

Le forze nucleari devono essere intensissime, per poter tenere insieme, a distanza molto piccola, molti protoni con la stessa carica. Al di fuori del nucleo atomico stesso però, queste forze sono inefficaci.

Quindi per mettere insieme il nucleo, avvicinando un protone ad un altro protone, ci vuole molta energia, che sarà poi immagazzinata nel nucleo fino quando qualcosa non lo romperà. Ogni nucleo, quindi, avrà immagazzinata dentro di sé una quantità di energia, e poiché le strutture dei nuclei sono diverse da atomo ad atomo, questa energia sarà allo stesso modo diversa da nucleo a nucleo. Ciò vale sia per i nuclei “naturali”, esistenti in natura, sia per quelli creati in laboratorio, ovvero “artificiali”.

Nel momento in cui si spezza un nucleo, si ottengono due nuclei più leggeri ma anche un rilascio di energia. I due nuclei più leggeri immagazzinano in totale meno energia di quella contenuta nel nucleo originario da cui derivano. Ovvero si ha un “guadagno di energia”. Questo è il principio della “fissione nucleare”, ovvero della frammentazione dei nuclei.

Non sempre comunque il guadagno netto di energia è presente. In alcuni casi per spezzare il nucleo dovremmo impiegare un’energia dall’esterno tale da creare nei due nuovi nuclei una forza energetica maggiore del nucleo da cui derivano.

Se invece di spezzare un nucleo volessimo fondere tra loro due nuclei leggeri per formare un nucleo pesante potremmo al pari creare energia. Dalla fusione potremmo ottenere un unico nucleo con un’energia immagazzinata maggiore o minore di quella originariamente immagazzinata nei due nuclei più leggeri. Nel caso in cui l’energia contenuta nel nucleo è maggiore, avremmo un guadagno netto di energia. È il principio della “fusione nucleare”.

Generalmente è quindi possibile produrre energia in due modi:

  1. Spezzando un nucleo pesante in nuclei medi, detto “Fissione Nucleare”;
  2. Fondendo più nuclei leggeri in un nucleo medio, cioè “Fusione Nucleare”.

Le proprietà dei nuclei per dare luogo alla fissione nucleare o alla fusione nucleare sono quindi diverse. Ovvero è diverso il carburante. Nel caso (1) saranno utilizzati i nuclei pesanti dell’uranio o del plutonio, nel caso (2) i nuclei leggeri dell’idrogeno e dell’elio.

Il guadagno di energia che viene liberato dalla fissione o dalla fusione si può presentare in due modi:

  •        sotto forma di calore;
  •        sotto forma di particelle veloci che si allontanano tra loro, portando con sé parte dell’energia liberata.

Alla fine del XIX secolo gli sviluppi della termodinamica e le nuove scoperte, come l’esistenza degli elettroni, convinsero gli scienziati della necessità di costruire dei modelli atomici.

È chiaro che possono esistere molti modelli, ma nella scienza vale un principio molto generale, che è quello dell’economicità: il modello migliore è quello più semplice, quello cioè che rispetta tutti i parametri con il minor numero di ipotesi aggiuntive. Un modello è però una struttura dinamica in continua evoluzione: occorre testarlo con esperimenti mirati. Se il modello è coerente con i dati sperimentali ottenuti esso si rafforza, altrimenti occorre abbandonarlo e sostituirlo con uno nuovo che spieghi tutti i risultati sperimentali del vecchio, più quelli che lo hanno messo in crisi. Il primo modello atomico fu proposto da J. J. Thomson nel 1903 (modello a panettone); esso prevedeva che l’atomo fosse una sfera costituita da materia carica positivamente, con gli elettroni conficcati come l’uvetta in una torta, in modo da assicurare la neutralità del sistema.

Il modello di Thomson entrò in crisi tra il 1909 ed il 1911 in seguito ad una serie di esperimenti condotti nell’Università di Manchester dal neozelandese Ernest Rutherford con la collaborazione dei giovani fisici tedeschi Geiger e Marsden. L’idea base dell’esperimento di Rutherford è semplice: per ottenere informazioni sull’atomo lo si bombarda con proiettili delle sue dimensioni e si analizza la deflessione subita dai proiettili dopo l’urto. Ragionando per analogia è come se volessimo ottenere informazioni su un oggetto sconosciuto posto all’interno di una scatola chiusa sparando contro di essa con una mitragliatrice; se ad esempio tutti i proiettili attraversano la scatola quasi indisturbati si può pensare che il contenuto sia poco resistente e tenero, se invece qualche proiettile viene fortemente deviato o addirittura rimbalza indietro si può ipotizzare che all’interno vi siano oggetti molto tenaci e duri.

Nell’esperimento di Rutherford i proiettili erano costituiti da particelle α (nuclei d’elio) emesse da una sorgente radioattiva (polonio), mentre il bersaglio era una sottilissima lamina d’oro, con uno spessore pari ad uno strato di qualche migliaio di atomi appena. Le attese degli sperimentatori, sulla base del modello di Thomson, erano che i proiettili dovessero attraversare lo strato di atomi come se fosse stata carta o burro, tenendo conto che le particelle α costituivano proiettili massicci che arrivavano sulla lamina d’oro ad alta velocità.

Invece i risultati sperimentali furono sorprendenti: si osservò infatti che, se la maggior parte delle particelle α attraversava la lamina d’oro senza subire una apprezzabile deviazione, come previsto, un certo numero di proiettili, però, veniva deflesso fortemente e qualcuno, con una frequenza di 1 particella su 6 milioni, veniva addirittura riflesso all’indietro. Rutherford disse: “era come se vi fosse capitato di sparare un proiettile da 15 pollici su un pezzo di carta velina e questo fosse tornato indietro a colpirvi”.

Era come se la carica positiva nell’atomo fosse in grado di esercitare sulle particelle α forze repulsive molto più intense di quelle previste dal modello a panettone. Sulla base delle frequenze statistiche delle particelle rimbalzate indietro venne valutata la sezione d’urto e quindi il raggio della sezione occupata dalla carica positiva. Il raggio risultò molto più piccolo dell’atomo.

Se la carica positiva occupava una zona molto minore delle dimensioni atomiche, allora il campo elettrico E massimo era decine di milioni di volte più intenso di quello previsto dal modello di Thomson. Questo spiegava l’enorme forza repulsiva che faceva rimbalzare indietro le particelle α che si trovavano quasi in rotta di collisione con un nucleo d’oro.

Sulla base dei risultati sperimentali, Rutherford nel 1911 propose il suo modello atomico, detto anche atomo planetario per la sua struttura analoga a quella del sistema solare. Nel modello di Rutherford, la carica positiva è concentrata in un volume piccolissimo al centro dell’atomo, il nucleo, il cui raggio varia da 10-15 a 10-14 m passando dall’idrogeno agli elementi pesanti, mentre gli elettroni, in numero tale da bilanciare la carica positiva del nucleo, ruotano su orbite di raggio compreso tra 10-10 e 3 *10-10 m .

Questo modello, semplice ed elegante, spiegava bene i risultati sperimentali, ma, in base alla fisica classica, aveva il difetto di essere instabile. Infatti le cariche elettriche non possono comportarsi stabilmente come satelliti intorno al nucleo perché la teoria classica di Maxwell prevede che una carica che oscilla emetta onde elettromagnetiche della stessa frequenza di rotazione. Gli elettroni avrebbero dovuto emettere continuamente radiazione elettromagnetica e quindi perdere energia a ritmo costante, avvicinandosi sempre di più al nucleo, fino a cadervi e questo doveva avvenire in un tempo molto breve, in contrasto con l’evidente stabilità della materia.

Si era ad un punto di crisi: o il modello di Rutherford non andava bene e allora non si potevano spiegare in nessun modo i risultati sperimentali sulla deflessione della particella α, o la fisica classica non era adeguata alla descrizione dell’atomo. La soluzione del dilemma avvenne due anni dopo, nel 1913, per merito del fisico danese Niels Bohr che adattò al modello di Rutherford i principi della neonata fisica quantistica, e di cui parleremo alla prossima puntata.

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