FISSIONE

Uno dei processi di trasformazione dei nuclei atomici è la fissione, la scissione in due (o raramente tre) nuclei aventi massa simile. Ogni fissione è caratterizzata dalla liberazione di una quantità d'energia dell'ordine dei 200 milioni di elettronvolt. Questo valore è 100 milioni di volte maggiore delle energie tipiche delle reazioni chimiche e spiega l'interesse tecnologico e militare che ha accompagnato la fissione nucleare sin dalla sua scoperta.

L'energia liberata è dovuta alla trasformazione di parte della massa del nucleo iniziale; infatti, i prodotti della reazione hanno una massa complessiva leggermente inferiore a quella del nucleo che è stato scisso. La parte mancante è liberata sotto forma d'energia, secondo la relazione di Einstein E = mc².

I nuclei vivono in una situazione d'equilibrio dovuta alla contrapposizione tra le forze elettrostatiche repulsive che si esercitano tra i protoni e forze nucleari forti, attrattive che si esercitano tra tutti i nucleoni (molto intense ma di breve raggio d’azione). Se l'equilibrio è precario, come accade in alcuni nuclei pesanti, è sufficiente fornire dall'esterno un'opportuna quantità d'energia per alterarlo e generare la rottura del nucleo in due o tre parti.

I nuclei caratterizzati da grandi valori del numero di massa A sono costituiti da un numero N di neutroni che supera di molto il numero Z di protoni. Quando avviene la loro fissione si originano nuclei più leggeri, nei quali sono ripartiti i protoni e i neutroni dei nuclei iniziali. I nuovi nuclei però, avendo uno Z assai più basso, hanno bisogno di meno neutroni per essere stabili: contengono insomma una quantità di neutroni troppo elevata. Per questo motivo i prodotti delle fissioni risultano instabili. Tuttavia raggiungono la stabilità grazie a una serie di decadimenti beta che trasformano i neutroni in eccesso in protoni.

La radioattività che si registra durante i processi di fissione deriva principalmente dalla trasformazione di neutroni in protoni e viceversa.

Può succedere che all'atto della scissione sia emesso qualcuno (2 o 3) dei neutroni in eccesso; è questo il fenomeno su cui si basano le reazioni a catena: si fa in modo che la fissione di un nucleo produca neutroni liberi, i quali a loro volta, urtando altri nuclei simili al primo, innescano ulteriori processi di fissione. Ogni fissione libera una quantità relativamente piccola d'energia, ma una volta innescata la reazione a catena si sommano i contributi di miliardi di processi contemporanei.

Se i nuclei che si vogliono scindere sono quelli dell'uranio naturale, i neutroni proiettile devono avere un'energia molto elevata per riuscire nel loro compito; occorrono cioè dei neutroni veloci. L'uranio naturale è costituito per il 99,3% dall'isotopo uranio-238, il cui nucleo contiene 92 protoni e 146 neutroni. La sua struttura è relativamente stabile, anche grazie al numero pari di neutroni che si sistemano a coppie. Esiste però uno 0,7% d'uranio-235 che contiene nel nucleo 92 protoni e 143 neutroni. Il fatto che contenga un numero dispari di neutroni, lo rende più instabile e più disponibile ad assorbire un nuovo neutrone. Ecco perché anche un neutrone lento (cioè poco energetico) può provocare la fissione di un nucleo di uranio-235. Il nuovo neutrone provoca la deformazione del nucleo, il suo allungamento e infine la sua rottura in due parti.

Tutti i nuclei di elementi pesanti, a partire dal torio, possono subire la fissione con maggiore o minore facilità, in corrispondenza di energie più o meno elevate dei neutroni incidenti. La fissione può anche essere indotta da fotoni (fotofissione) e particelle cariche veloci (protoni o particelle alfa). I nuclei di uranio-233, uranio-235, plutonio-239 possono invece subire la fissione qualunque sia l'energia del neutrone incidente e anzi la massima probabilità che il processo si realizzi si ha in corrispondenza di neutroni molto lenti, detti "termici" perché in equilibrio termico con la temperatura ambiente.

La produzione artificiale e controllata dell'energia di fissione si basa sulle osservazioni precedenti: i neutroni termici vengono assorbiti dalla piccola quantità di uranio-235 presente nell'uranio naturale e, provocandone la fissione, creano i presupposti per una reazione a catena. Uno dei problemi consiste nel separare l'uranio-235 dall'isotopo più abbondante ma meno fissile uranio-238. E' necessario poi rallentare i neutroni; occorre in altre parole una sostanza (detta moderatore) che freni i neutroni della reazione a catena senza assorbirli. Questi sono i processi che avvengono normalmente all'interno dei reattori nucleari a fissione controllata.

Nei reattori avviene anche la produzione di plutonio-239, un ottimo combustibile nucleare. Quando un nucleo d'uranio-238 assorbe un neutrone diventa uranio-239, un isotopo instabile. La tendenza alla stabilità innesca un decadimento beta nel corso del quale un neutrone si trasforma in un protone. Si ottiene così un nucleo di nettunio-239 (93 protoni e 146 neutroni). L'assorbimento da parte del nettunio di un nuovo neutrone e un altro decadimento beta portano alla nascita di un nucleo di plutonio-239.

Oltre alla produzione d'energia per scopi civili, la fissione è alla base di armi altamente distruttive. Anzi tale uso è stato il primo che se n'è fatto e proprio gli sforzi per la costruzione della bomba nucleare hanno contribuito in modo considerevole alla comprensione della fisica nucleare. Per produrre un'esplosione occorre innescare una reazione a catena molto rapida e abbastanza intensa da autosostenersi. Un requisito fondamentale è il raggiungimento della massa critica. E' necessario, in altre parole, disporre di una particolare quantità di materia fissile (uranio-235 o plutonio-239) in modo che i neutroni liberati in ogni fissione riescano a raggiungere rapidamente altri nuclei da scindere. L'effetto esplosivo si ottiene avvicinando molto rapidamente due masse, per esempio di uranio, ciascuna inferiore alla massa critica.

ARGOMENTI TRATTATI DALLA PROF. PAOLA BOSCO, CURATI DALLO STUDENTE FONTANARI GIULIANO DELLA CLASSE 2A SERALE

Bibliografia:

Il Mondo delle Scienze UTET

Corso di Chimica Moderna - R.C. SMOOT – J.S. PRICE – R.G. SMITH – D. CACCIATORE Ed. Le Monnier.