Radioattività e energia nucleare
Il fenomeno della radioattività
La radioattività è un fenomeno naturale per cui alcuni nuclei atomici instabili emettono particelle e radiazione – particelle alfa (nuclei di elio), particelle beta e raggi gamma (radiazione energetica).
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La scoperta della radioattività
Rontgen e i Raggi X
Il fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895 stava studiando i raggi catodici quando osservò un fenomeno dovuto a una radiazione allora sconosciuta.
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Röntgen stava conducendo esperimenti con il tubo di Crookes, un tubo di vetro contenente gas rarefatto a bassa pressione attraversato da scariche elettriche ad alto voltaggio. Il tubo era rivestito da carta nera per impedire la fuoriuscita della luce visibile; per verificare che il rivestimento di carta nera bloccasse tutta la luce visibile del tubo, oscurò la stanza — ed è in quel momento che notò per caso il bagliore di uno schermo fluorescente (foglio di carta al platino-cianuro di bario) posto sul banco di lavoro.
Röntgen comprese quindi che dal tubo veniva emessa una radiazione sconosciuta, che chiamò raggi X, capace di attraversare il rivestimento di carta nera e altri materiali opachi alla luce visibile.
I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia, con frequenze comprese indicativamente tra 1016 e 1019 Hz.
In seguito Röntgen scoprì che i raggi X attraversavano i tessuti molli del corpo umano ma venivano bloccati dalle ossa. Il 22 dicembre 1895 Röntgen ottenne la prima radiografia della storia, quella della mano della moglie Anna Bertha.
Si dice che Anna, vedendo il proprio scheletro, abbia esclamato “Ho visto la mia morte” e non abbia più messo piede in laboratorio.
Röntgen ricevette il primo premio Nobel per la fisica nel 1901. Rifiutò di brevettare la scoperta, ritenendo che dovesse essere patrimonio dell’umanità.
L’esperimento di Becquerel
Nel 1896 il fisico francese Henri Becquerel stava studiando la fosforescenza di alcuni materiali, tra cui i sali di uranio. Becquerel infatti pensava che i raggi X di Röntgen provenissero da una zona del tubo resa fosforescente dai raggi catodici e così si mise a studiare se tutti i materiali fosforescenti producessero questi straordinari raggi X.
Aveva un’ipotesi: forse l’uranio, dopo essere stato esposto alla luce solare, riemetteva parte di quell’energia sotto forma di raggi X.
Per testare la sua ipotesi decise di compiere un esperimento, così avvolse una lastra fotografica all’interno di un panno nero - per non permettere l’esposizione alla luce - e su questa pose dei sali di uranio: se la sua teoria era corretta la lastra fotografica si sarebbe impressionata.
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Becquerel preparò il suo esperimento in attesa di una giornata di sole intenso, ma il cielo di Parigi rimase nuvoloso per giorni, e così la lastra rimase nel cassetto.
Con sua grande sorpresa quando sviluppò la lastra trovò che questa era stata impressionata (vedi Figura 3), nonostante fosse rimasta al buio: l’uranio emetteva radiazioni da solo, spontaneamente, senza bisogno di essere “caricato” dalla luce solare.
Becquerel aveva appena scoperto che l’uranio emetteva radiazioni spontaneamente, senza alcuna fonte di energia esterna: era la prima dimostrazione del fenomeno che Marie Curie avrebbe poi chiamato radioattività.
I coniugi Curie
Fu Marie Curie a capire le implicazioni profonde di questa scoperta e a trasformarla in una scienza vera e propria.
Marie Skłodowska era nata nel 1867 a Varsavia, in un momento in cui la Polonia era sotto occupazione russa. Il regime non permetteva alle donne di frequentare l’università, così Marie frequentò a Varsavia la clandestina Università Volante (Uniwersytet Latający) — un’istituzione segreta che teneva lezioni in case private, spostandosi continuamente per sfuggire alle autorità russe, e che ammetteva anche le donne. Non potendo però ottenere un titolo riconosciuto, lavorò per anni come insegnante privata, mettendo da parte i soldi per raggiungere Parigi.
Alla Sorbona incontrò Pierre Curie, fisico già affermato. I due si sposarono nel 1895 e lavorarono fianco a fianco per tutta la vita.
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Marie coniò essa stessa il termine “radioattività” e dimostrò, misurando con grande precisione l’ionizzazione dell’aria attorno ai campioni, che la radioattività era una proprietà del nucleo atomico, non una reazione chimica di superficie. Questa intuizione era anni-luce avanti rispetto ai contemporanei.
Insieme a Pierre, Marie analizzò la pechblenda, una roccia che contiene uranio, e scoprì che emetteva radiazioni molto più intense di quanto l’uranio puro avrebbe giustificato. C’era quindi qualcos’altro. Dopo mesi di lavoro estenuante — macinavano tonnellate di pechblenda in condizioni precarie — isolarono due nuovi elementi:
- Il polonio (1898), così chiamato in onore della Polonia occupata
- Il radio (1898), fortemente radioattivo
Nel 1903 Marie, Pierre e Becquerel ricevettero il Nobel per la fisica 1903, inoltre Marie ricevette nel 1911 anche il Nobel per la chimica, per la scoperta del radio e del polonio
Marie Curie rimane l’unica persona nella storia ad aver vinto il Nobel in due scienze diverse.
Morì nel 1934, quasi certamente per leucemia causata dall’esposizione prolungata alle radiazioni. Portava campioni radioattivi in borsa, li teneva sul comodino, li maneggiava senza protezioni — all’epoca nessuno sapeva quanto fossero pericolosi. I suoi quaderni di laboratorio sono ancora radioattivi e conservati in contenitori di piombo a Parigi.
Dalla radioattività naturale alla radioattività indotta
Negli anni Trenta gli studi sulla radioattività fecero un ulteriore passo avanti grazie agli esperimenti di Irène Curie e Frédéric Joliot.
Nel gennaio 1934 i due fisici scoprirono che bombardando alcuni elementi con particelle alfa era possibile produrre nuclei instabili artificiali, capaci di emettere radiazioni anche dopo la fine del bombardamento.
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Era stata scoperta la radioattività artificiale (o indotta): per la prima volta gli scienziati riuscivano non solo a osservare la radioattività naturale, ma anche a produrla in laboratorio trasformando i nuclei atomici.
Per questa scoperta i coniugi Joliot-Curie ricevettero il premio Nobel per la chimica nel 1935.
Energia dall’atomo: la fissione nucleare
La scoperta della radioattività artificiale rappresentò un passaggio fondamentale per gli studi condotti in Europa tra Roma e Berlino alla vigilia della seconda guerra mondiale, che portarono alla scoperta della fissione nucleare e aprirono la strada allo sviluppo dell’arma atomica.
Enrico Fermi e i ragazzi di via Panisperna
Enrico Fermi guidava a Roma un gruppo di giovani fisici brillanti, noti per il soprannome affettuoso de i ragazzi di via Panisperna (dal nome della strada dove aveva sede il laboratorio). Tra di loro: Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti e Enrico Majorana.
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Nel 1932, il fisico britannico James Chadwick scoprì l’esistenza del neutrone, una particella presente nel nucleo degli atomi insieme ai protoni, ma priva di carica elettrica.
Fermi capì quasi immediatamente che i neutroni potevano essere ancora più efficaci delle particelle alfa nell’indurre reazioni nucleari.
Così nel marzo 1934 insieme ai suoi collaboratori bombardarono molti elementi con neutroni lenti e scoprirono la radioattività indotta dai neutroni in numerosi materiali.
Poi passarono all’uranio e qualcosa di strano accadde: i prodotti della reazione non si comportavano come previsto, ma Fermi li interpretò come nuovi elementi pesanti “transuranici”.
In realtà, alcuni dei prodotti erano nuclei più leggeri generati dalla fissione — ma nessuno aveva ancora compreso che i nuclei potessero dividersi in frammenti di grandi dimensioni.
L’intuizione di Lise Meitner
Ispirati dal lavoro di Fermi, Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassman a Berlino proseguirono a bombardare nuclei di uranio con neutroni e a osservare i prodotti del decadimento.
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Lise Meitner, nata a Vienna nel 1878 in una famiglia ebrea, era una delle poche donne ad aver fatto carriera nella fisica tedesca. Collaborò con Hahn per trent’anni, in un sodalizio scientifico straordinario. Quando Hitler salì al potere, le leggi razziali la privarono prima della cattedra, poi della cittadinanza. Nel 1938 fuggì dalla Germania clandestinamente, di notte, con pochi soldi cuciti nell’abito, passando per i Paesi Bassi e la Danimarca, fino a raggiungere la Svezia.
Da Stoccolma continuò a corrispondere con Hahn che nel dicembre 1938 le scrive di aver identificato del bario tra i prodotti della reazione dell’uranio bombardato con neutroni.
Era un risultato inspiegabile: come poteva un nucleo pesante come l’uranio trasformarsi in bario, molto più leggero?
Durante le vacanze di Natale del 1938 Lise Meitner e il nipote, il fisico Otto Frisch, furono in grado di spiegare i sorprendenti risultati degli esperimenti condotti a Berlino da Hahn e Strassman. Compresero che qualcosa di apparentemente impossibile si stava verificando: il nucleo di uranio, dopo aver catturato un neutrone, poteva deformarsi fino a spezzarsi in due frammenti più piccoli – fissione nucleare – liberando un’enorme quantità di energia.
Meitner comprese che i prodotti della fissione si trovavano in una configurazione nucleare più stabile e quindi a energia totale inferiore rispetto al nucleo iniziale. Per l’equivalenza massa-energia [1], questa diminuzione di energia corrispondeva a una piccola diminuzione della massa totale del sistema; il difetto di massa risultante corrispondeva quindi ai circa 200 MeV liberati principalmente sotto forma di energia cinetica dei frammenti di fissione.
Per questi studi Meitner e Frisch non ottennero il premio Nobel, che venne invece assegnato a Hahn nel 1944. Hahn riconobbe solo parzialmente il contributo teorico di Meitner e, nelle memorie e in molte interviste successive, ne minimizzò spesso il ruolo nella comprensione della fissione nucleare.
La fissione nucleare
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Un nucleo di U235 (uranio 235) bombardato con un neutrone lento si spezza in due frammenti di bario e kripton e rilascia tre neutroni liberi, vedi Figura 7.
Questi tre neutroni possono colpire altri tre nuclei di U-235, che ne rilasciano altri nove, e così via in una reazione a catena in grado di rilasciare un enorme quantità di energia attraverso un’esplosione.
Se la reazione avviene in maniera controllata (come in una centrale termo-nucleare) si ottiene può ottenere calore continuo; viceversa, se avviene in maniera incontrollata (come in una bomba) si ottiene un’esplosione di potenza immensa nel giro di alcuni microsecondi.
Il Progetto Manhattan
Nel 1938 Fermi era in viaggio verso la Svezia per ricevere il Nobel quando seppe delle leggi razziali italiane.
Non tornò più in Italia. Si stabilì negli Stati Uniti, dove la sua competenza divenne strategica.
Nel 1939 Einstein e altri fisici scrissero una lettera al presidente Roosevelt avvertendolo che la Germania nazista stava probabilmente lavorando a un’arma basata sulla fissione nucleare. Era necessario che gli Stati Uniti non rimanessero indietro.
Il 2 dicembre 1942, a Chicago, Fermi supervisionò il funzionamento del primo reattore nucleare artificiale della storia, il Chicago Pile-1: la reazione a catena fu avviata, controllata e spenta con successo. Era la prova che l’energia nucleare era governabile.
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Da quel momento prese forma il Progetto Manhattan: sotto la direzione scientifica del fisico Robert Oppenheimer e con finanziamenti e organizzazione militare colossali, migliaia di scienziati lavorarono in segreto nei laboratori di Los Alamos, nel deserto del New Mexico, per costruire un’arma nucleare.
Il 16 luglio 1945, nel deserto del New Mexico, durante il Trinity Test venne fatta esplodere la prima bomba atomica della storia.
Oppenheimer, guardando il fungo atomico, citò la scrittura induista: “Ora sono diventato la Morte, il distruttore di mondi.”
Il 6 agosto 1945, la bomba “Little Boy” (a base di uranio) fu sganciata su Hiroshima. Morirono tra 70.000 e 80.000 persone istantaneamente; le vittime totali degli effetti delle radiazioni superarono le 200.000.
Tre giorni dopo, il 9 agosto, la bomba “Fat Man” (a base di plutonio) fu sganciata su Nagasaki: altre 40.000 vittime immediate, decine di migliaia nei mesi e anni successivi.
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Il Giappone capitolò il 15 agosto. La guerra era finita.
Molti storici sostengono che il Giappone fosse già militarmente sconfitto e vicino alla resa nell’estate del 1945, e che la guerra sarebbe probabilmente terminata anche senza l’uso della bomba atomica. Altri ritengono invece che le bombe — insieme all’ingresso dell’URSS nella guerra — abbiano accelerato una resa che altrimenti avrebbe potuto richiedere mesi e causare ulteriori milioni di vittime.
Epilogo
La scoperta della radioattività e dell’energia contenuta nel nucleo atomico rappresentò una delle più grandi rivoluzioni scientifiche del Novecento. Gli studi di fisici e chimici permisero di comprendere la struttura della materia e di liberare un’enorme quantità di energia, considerata inizialmente come un grande progresso della conoscenza umana.
Nel contesto della Seconda guerra mondiale, però, queste scoperte vennero rapidamente trasformate in strumenti militari. Hiroshima e Nagasaki non segnarono soltanto la fine della guerra nel Pacifico, ma l’inizio dell’era atomica e di una nuova fase della politica mondiale. Dopo il 1945 il possesso dell’arma nucleare divenne uno strumento di potere e di equilibrio geopolitico tra le grandi potenze, alimentando la corsa agli armamenti durante la Guerra fredda e la costante minaccia di una guerra nucleare globale.
La storia dell’energia nucleare mostra come il progresso scientifico non sia mai neutrale: le scoperte scientifiche possono essere utilizzate per migliorare le condizioni di vita oppure per rafforzare strumenti di dominio e distruzione. Per questo motivo il rapporto tra scienza, politica e responsabilità continua ancora oggi a rappresentare una delle questioni più importanti del mondo contemporaneo.
Radioactivity, Kraftwerk (1975)
Tschernobyl, Harrisburgh
Sellafield, Hiroshima
Tschernobyl, Harrisburgh
Sellafield, Hiroshima
Stop radioactivity
Is in the air for you and me
Stop radioactivity
Discovered by Madame Curie
Chain reaction and mutation
Contaminated population
Stop radioactivity
Is in the air for you and me
Radioactivity
Radioactivity
[..]
Crediti fotografici
CF.1 Joliot-Curie Family Timeline
Note
[1] Nel 1905, il suo annus mirabilis, Albert Einstein formulò la legge di equivalenza tra massa e energia,
E=mc2,
dove E è l’energia, m è la massa e c è la velocità della luce nel vuoto (~300.000 km/s).
Poiché c è un numero molto grande, anche una massa piccolissima corrisponde a una quantità di energia smisurata.
Per dare un’idea: un grammo di materia convertito interamente in energia libererebbe circa 90 miliardi di kilojoule — equivalente a circa 21.000 tonnellate di TNT.
Il problema è che convertire la massa in energia non è per niente semplice: solo in certi processi nucleari — fissione e fusione — una piccola parte della massa si “perde” trasformandosi in energia.
È questa minima parte di massa che ha reso possibile le bombe atomiche e che alimenta le centrali nucleari.
