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Studiando la struttura dei nuclei atomici si osserva che l’energia di legame per nucleone aumenta molto rapidamente all’aumentare del numero di massa A; raggiunge un massimo per i nuclei di ferro e nickel (A circa 60), che sono i nuclei più stabili esistenti in natura, e poi torna a scendere, anche se molto più lentamente.

Ciò implica che, spezzando un nucleo con numero di massa molto alto in nuclei più leggeri (ma comunque più pesanti di ferro e nickel) si può produrre energia. In particolare, poiché l’energia di legame per nucleone di un nucleo pesante (A= ~240) è ~7,5MeV (eV = elettronvolt, unità di misura di energia molto usata in fisica nucleare e delle particelle), mentre quella di un nucleone di un nucleo con A = ~120 è ~ 8,5 MeV, scindendo il primo nucleo in due frammenti di circa la metà della massa di questo otteniamo un aumento dell’energia di legame. L’energia liberata sta proprio in questa differenza: il processo di frammentazione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri, detto fissione nucleare, è una reazione esoergonica cioè che libera energia.

Anche se energeticamente vantaggiosa, la scissione spontanea di un nucleo pesante ha una bassissima probabilità di verificarsi: il nucleo di uranio-235 (235U), per esempio, si scinde per decadimento α con un tempo di dimezzamento di oltre 700 milioni di anni. Tuttavia è possibile accelerare il processo di fissione fornendo energia addizionale al nucleo, tramite un urto con un neutrone il quale, essendo neutro, attraversa senza problemi la barriera coulombiana data dalla carica elettrica dei protoni presenti.

L’assorbimento del neutrone induce il nucleo a scindersi rapidamente (in circa 10-21 secondi) in due nuclei più leggeri, detti frammenti o prodotti di fissione, i quali, a loro volta, sono radioattivi per eccesso di neutroni e decadono spontaneamente con emissione di elettroni (decadimento β-).

Reazioni a catena

Una tipica reazione di fissione del 235U è:

235U + 141Ba + 92Kr + 3n

dove n indica neutrone/i, 141Ba l’isotopo 141 del bario e 92Kr l’isotopo 92 del kripton. Il processo di fissione del 235U libera più neutroni (in media 2,5) di quanti ne servano per attivarlo. Perciò se i neutroni liberati sono assorbiti da altri nuclei di 235U si può attivare una serie di eventi di fissione che si autosostiene: questo fenomeno è detto “reazione a catena”. Controllando l’ambiente in cui si trovano i nuclei che subiscono la fissione è possibile far sì che ciascun evento di fissione liberi in media un solo neutrone che provoca un’altra fissione.

In queste condizioni la reazione a catena si mantiene stabile e la produzione di energia nell’unità di tempo è costante: la reazione di fissione a catena controllata è alla base del meccanismo di funzionamento dei reattori nucleari impiegati per produrre energia d’uso civile.

La quantità di nuclei di fissione per cui la reazione a catena si mantiene stabile è nota come massa critica. Essa dipende da vari fattori: dalle proprietà nucleari del materiale fissile (per esempio la sua capacità di assorbire neutroni), dalle sue proprietà fisiche (in particolare la densità), dalla sua forma o da altro ancora.

Se il numero di neutroni è maggiore di uno le fissioni aumentano esponenzialmente: in questa situazione incontrollata si arriva rapidamente alla liberazione esplosiva dell’energia prodotta dalla catena, la bomba atomica.

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