La curiosità del mese a cura di Gabriele Ghisellini
È impossibile parlare dell’energia atomica senza ricordare la tragedie di Hiroshima e Nagasaki (6 e 9 agosto 1945) e senza ricordare il tragico fungo atomico.
Ciononostante, cerchiamo di riassumere la storia di come si è riusciti a capire come il nucleo dell’atomo contenesse una quantità enorme di energia e come la si potesse liberare.
Possiamo iniziare la nostra storia a Roma, in via Panisperna, dove Enrico Fermi e i suoi i ragazzi stavano rivoluzionando la fisica italiana.
Era il 1934, e stavano tentando di vedere cosa succedeva bombardando i nuclei di tutti gli elementi, uno alla volta, quando venivano bombardati dai neutroni.
L’idea era di sparare dei neutroni contro il nucleo, sperando di trasformare il nucleo in un elemento radio-attivo.
Non erano i soli: a Parigi c’erano Irene e Frederick Joliot-Curie, e a Berlino c’erano Lise Meitner e Otto Hahn: tutti studiavano la radioattività.
Enrico Fermi, in quegli anni, fa una scoperta epocale: i proiettili migliori per bombardare il nucleo atomico non sono i neutroni veloci, ma quelli lenti.
Succede una mattina in cui i suoi “ragazzi” erano occupati a tenere delle lezioni all’Università, e toccava quindi a Fermi di condurre gli esperimenti.
Lui era metodico, e aveva deciso di provare a bombardare tutti gli elementi, uno alla volta. Ma quella mattina è preso da una intuizione inconscia, e tra il “cannone” di neutroni e l’elemento da bombardare inserisce un pezzo di paraffina.
Subito l’elemento bombardato reagisce violentemente. Poco prima di pranzo i suoi ragazzi tornano dalle lezioni e Fermi gli fa vedere cosa sta ottenendo. Eccitati, cominciano a discutere, ma Fermi dice: “Andiamo a pranzo”.
Nel primo pomeriggio si riuniscono di nuovo e Fermi spiega cosa sta succedendo: la paraffina, che è ricca di idrogeno, ha interagito con i neutroni, rallentandoli. Un po’ come quando una palla da biliardo veloce colpisce un’altra palla di uguale peso.
Allo stesso modo quando i neutroni raggiungono i nuclei dell’elemento da bombardare, ricco di altri neutroni e protoni, dello stesso peso, rallentano e i neutroni passano più tempo vicino ai nuclei, interagendo di più.
Decidono di provare subito a rifare l’esperimento nella piccola fontana nel cortile: se Fermi ha ragione, allora anche l’acqua, ricca di idrogeno, potrebbe frenare i neutroni e avere lo stesso effetto della paraffina. Detto fatto.
Da allora tutti i gruppi che studiano la radioattività useranno neutroni lenti per i loro esperimenti.
È come se Fermi avesse inventato e costruito un nuovo acceleratore di particelle a costo zero: un blocco di paraffina…
Gli studi non si fermano, e nel 1934 Fermi e i suoi ragazzi, sparando neutroni lenti nell’elemento più ricco di neutroni e protoni che ci sia, l’Uranio con 92 protoni, credono di essere riusciti a creare due elementi ancora più ricchi di protoni: l’Ausonio 93 e l’Esperio 94. Li chiama così perché Ausonio ed Esperio sono due nomi antichi dell’Italia.
Corbino, ministro dell’istruzione del governo Mussolini, è entusiasta e spinge per una conferenza stampa. Fermi è riluttante, ma Corbino riesce a convincerlo. Del resto, Corbino che li ha sempre aiutati, tanto che i “ragazzi” lo chiamano con il soprannome di “Divina Provvidenza” (perché riusciva a trovare i fondi per le loro ricerche), mentre Fermi era chiamato “il Papa” (perché era infallibile).
Nel 1938, anno infausto per le leggi razziali fasciste, viene assegnato il premio Nobel a Enrico Fermi, che segretamente progetta di andare a Stoccolma per ritirare il premio, e poi di partire per gli Stati Uniti, dato che sua moglie Laura è ebrea.
La motivazione del premio è per la scoperta degli elementi transuranici, ma è sbagliata, come si accorgeranno in tanti, proprio lo stesso anno, il 1938, anche se Irene Curie in un primo tempo conferma i risultati di Fermi.
A Berlino intanto lavora Lise Meitner, ebrea, anche se convertita al cristianesimo da giovane. Come austriaca è stata al riparo fino a quel momento dalle leggi razziali naziste, che valevano per i tedeschi, ma non per gli austriaci.
Ma nel marzo 1938 Hitler invade l’Austria, e improvvisamente Lise Meitner diventa tedesca. Deve fuggire, precipitosamente e in modo rocambolesco, visto che le hanno ritirato il passaporto. Decide di andare in Svezia, dove si sta costruendo un laboratorio per la radioattività.
Anche se non è pronto, Lise riesce a lavorare con Otto Hahn via lettera, consigliandogli gli esperimenti da fare. Tra questi, Lise Meitner gli dice di rifare l’esperimento di Fermi. Otto Hahn ubbidisce ma scrive a Lise che non riesce a capire i suoi risultati: invece di elementi più pesanti, lui è sicuro di ottenere il Bario. Questo elemento ha 141 tra protoni e neutroni, mentre l’Uranio ne ha 235.
La sua lettera raggiunge Lise la vigilia di Natale, quando era ospite da amici in Svezia. Era stata appena raggiunta da suo nipote Otto Frisch, anche lui fisico, che allora lavorava a Copenhagen, da Niels Bohr.
Eccoli dunque discutere mentre fanno una passeggiata sulla neve, Otto con gli sci, Lise senza. E lì Lise ha l’idea: il neutrone che faceva da proiettile è riuscito a spezzare il nucleo di Uranio in due, producendo il Bario e un altro elemento: il Kripton (che non ha niente a che vedere con la kriptonite…).
I conti tornano, e c’era anche un abbozzo di teoria. Inventata da Niels Bohr, questa teoria prevedeva che i nuclei atomici potessero, se disturbati, cominciare ad oscillare come una goccia d’acqua. Se l’oscillazione era sufficientemente forte, allora il nucleo si poteva spezzare in due.
Quando Bohr viene informato da Otto Frisch, esclama: “Che idioti che siamo stati, come ho fatto a non pensarci prima!”.
Quando Bohr raggiunge in nave gli Stati Uniti, c’è Fermi al molo che lo aspetta. Bohr gli comunica le novità e Fermi, il giorno dopo, ripete l’esperimento e lo conferma.
Inizia l’era atomica.
Oggi siamo diventati più esigenti, e vorremmo usare un altro tipo di energia atomica, ancora più potente.
Non si vuole spaccare il nucleo in due, ma unire due nuclei in uno solo. Unire, non dividere. In gergo: la fusione nucleare, non la fissione.
Fondere due nuclei di deuterio (fatto da un protone e un neutrone) per fare un nucleo di elio (fatto da due neutroni e due protoni). A differenza della fissione, la fusione non produrrebbe scorie radioattive e non avrebbe bisogno di costosissime quantità di uranio raffinato o di plutonio. Basterebbe dell’acqua, seppur trattata.
Ma da dove viene tutta questa energia?
La fusione è il meccanismo usato dalle stelle per produrre energia e pressione per equilibrare la gravità, tanto che quando finiscono il combustibile vanno incontro alla fine della loro prima vita.
Succede una cosa simile a quella che succede nella formazione dei pianeti. Se pesiamo tutti i granelli di polvere che ci sono voluti per formare un pianeta, otteniamo una massa che è maggiore di quella del pianeta. Infatti ogni granello, per rimanere “attaccato” ad ogni altro, deve dissipare un po’ della sua energia di moto, perché altrimenti se ne volerebbe via.
Ma l’energia della fusione nucleare, prima dov’era?
Era nell’energia potenziale contenuta nei nuclei di idrogeno, che durante la fusione per formare l’elio deve venire dissipata. La controprova? Se pesiamo un atomo di elio otteniamo una massa che è minore (dell’8 per mille) della somma delle masse dei quattro protoni.
E da dove vengono i protoni? Chi li ha fatti? Li ha fatti il Big Bang, appena la temperatura dell’Universo neonato è diventata abbastanza bassa (migliaia di miliardi di gradi) da permettere a tre quark di vivere insieme.
E nel caso dell’Uranio, da dove viene l’energia della fissione?
È energia contenuta nei nuclei di uranio, immagazzinata alla loro nascita. Perché la formazione degli elementi pesanti, al contrario di quelli leggeri, ha richiesto energia. Che è stata intrappolata nei loro nuclei. Una scossettina da parte dei neutroni, ed eccola ancora intatta.
In fondo, se ci pensate, gli elementi pesanti hanno molti protoni nel loro nucleo, che dovrebbero respingersi, visto che sono cariche uguali.
Di solito non lo fanno perché quando sono vicinissimi, i protoni sentono un’altra forza, la forza forte che li obbliga a stare insieme. Ma nel modello a goccia di Bohr si hanno delle oscillazioni quando il nucleo viene perturbato. Oscillando, ci saranno dei protoni che si allontanano tra di loro. Può capitare che la loro lontananza indebolisca la forza forte che sentono, e quindi la forza elettrica riprende il sopravvento e fa spezzare il nucleo.
E da dove viene l’energia immagazzinata? Chi l’ha prodotta?
Qui interviene un effetto davvero speciale. Tutto è successo in qualche millesimo di secondo, quando due stelle di neutroni si sono scontrate e fuse.
In questo brevissimo lasso di tempo la temperatura è stata di miliardi di gradi, la densità era colossale, tanto da formare tutti gli elementi pesanti, come l’oro, l’argento, il platino e anche l’uranio.
I loro nuclei si sono formati a spese dell’energia dell’ambiente, e l’hanno conservata.
Fino a quando qualcuno ha deciso di colpirli con dei neutroni lenti…
Quindi da dove viene l’energia atomica?
Per l’idrogeno proviene direttamente dal Big Bang. Ma per gli elementi più pesanti, come l’uranio, proviene dallo scontro di due stelle di neutroni.
Incredibile, ma vero…
