Un viaggio nella Struttura della Materia3^ PARTE

Rutherford: 1910-11 ipotesi di atomo con nucleo(stima delle dimensioni) anche se non si sapeva da cosa potesse essere composto.

Intorno al 1930 era già assodato che il nucleo è composto da due tipi di particelle*:

- PROTONI a carica POSITIVA

- NEUTRONI (neutri)

mP = 1,67262 · 10 – 27kg carica = |carica elettrone|

mN = 1,67493 · 10 – 27kg

Il nucleo dell’atomo elementare H è formato solo da un PROTONE

}NUCLEONI

I nuclei degli elementi più complessi contengono entrambe le particelle.

Nuclei di tipo diverso si definiscono NUCLIDI.

Il NUMERO di PROTONI è detto NUMERO ATOMICO e si

indica con Z

Il NUMERO totale di NUCLEONI è detto NUMERO di MASSA ATOMICA (NUMERO di MASSA) e si indica con

A

Il NUMERO di NEUTRONI N è pari a A-Z

Elettroni (-)

Protoni (+)

Neutroni (neutri)

ZA X N

Es: azoto

spesso si indica solo A l’atomo elementare

simbolo del protone

715 N8

15 N 11 H

Romeni n°1-4-5 p. 1285

I nuclidi di alcuni elementi (es. Carbonio) hanno nuclei con diverso numero di nucleoni, pur contenendo lo stesso numero di protoni.

Si dicono ISOTOPI

Es: Carbonio

NB abbondanza naturale

Alcuni isotopi non si trovano in natura (solo artificiali)

Tutti gli elementi successivi all’Uranio (Z > 92) sono solo artificiali

611C , 6

12C , 613C , 6

14C , 615C e 6

16C

612C → 98% , 6

13C → 1,1%

Dimensioni dei NUCLEILe dimensioni approssimate dei nuclei furono stimate già da Rutherford.

Non se ne può dare una misura esatta a causa del dualismo onda-corpuscolo.

Ma si può dire che essi:

1_ hanno forma pressoché SFERICA

2_ il raggio cresce al crescere di A secondo la formula:

di conseguenza, poiché si ha che:

che è ciò che ci si potrebbe aspettare se i nucleoni fossero sfere impenetrabili

r≈ r0⋅3√A

V sfera=43π r3

V nucleo∝ A

r0= 1,2×10−15m=1,2 fm

Romeni n°7-9 p. 1285

10-15 metri= 1 fermi

Densità RELATIVA del NUCLEO:

Gli atomi hanno la densità della materia ordinaria.

ρnucleoρatomo

=mnucleo/V nucleomatomo /V atomo

=mnucleomatomo

⋅

43πratomo3

43πrnucleo3

=

1⋅ratomo3

rnucleo3

=(10−10)

3

(10−15)3=1015

Unità di MASSA ATOMICA

Convenzionalmente le masse atomiche sono date in u : unità di massa atomica (o uma)

In questa scala all’atomo 12C è assegnato il valore di 12,000000 uma.

1 u = 1,6605 · 10- 27kg

Di conseguenza

mN = 1,008665 u

mP = 1,007276 u

1H = 1,007825 u (protone + elettrone)

In genere le masse date nelle tabelle solo le masse degli atomi neutri che considerano anche gli elettroniNB

MASSA espressa come ENERGIA

Spesso le masse dei nucleoni e degli atomi sono date in eV, come unità di energia.

Si utilizza la relazione relativistica: E = mc2

uma Euma = 1 u·c 2 = 931,5 MeV

protrone EP = 938,27 MeV

neutrone EN = 939,56 MeV

elettrone Ee = 0,511 MeVRomeni n°2 - 6 p. 1285

Energia di LEGAMELa massa totale di un nucleo stabile è sempre MINORE della somma delle masse dei suoi protoni e neutroni.

esempio:

massa dell’atomo neutro: mHe = 4,002603 u

massa di un neutrone: mN = 1,008665 u

massa di un atomo di idrogeno (con l’elettrone) : mH = 1,007825 u

2 mH + 2 mN = 4,032980 u > mHe

Il difetto di massa è pari a 0,030377 u = 28,30 MeV

24 He

In generale: Δm=Z⋅mP+N⋅mn−M ( A,Z )Massa del nucleo con A e Z fissati

Energia di LEGAMEDove è finita la massa?

È diventata energia di altro tipo (radiazione o energia cinetica). I 28,30 MeV,

o comunque il difetto di massa definisce l’energia totale di legame del nucleo.

E legame = Δm∙c²

Si tratta dell’energia necessaria a spezzare il nucleo nei suoi componenti.dell’energia necessaria a spezzare il nucleo nei suoi componenti.

Se la massa del nucleo fosse esattamente uguale alla somma delle masse dei suoi costituenti, esso potrebbe spezzarsi senza bisogno di apporto di energia.

Per essere stabile la massa del nucleo DEVE essere MINORE della somma delle masse dei suoi componenti.

L’energia di legame non è qualcosa che il nucleo “ha” ma qualcosa che gli “manca”

Romeni n°8,10,11,12,14,15 p. 1285-1286

Massa del nucleo con A e Z fissati

Massa dei protoni

Massa dei neutroni

DIFETTO DI MASSA

Energia di LEGAME

Energia di LEGAME per NUCLEONE

Energia di legame per nucleone: energia di legame totale /ANB elementi che stanno sopra*

massimo per Ni (62,28)

Forze nucleariE dal punto di vista delle forze?

Di certo il nucleo non è tenuto insieme dalla forza elettrica, ne da quella gravitazionale.

È necessaria un’altra forza detta forza nucleare forte, attrattiva che agisca tra tutti i nucleoni, indipendentemente dalla loro carica.

È una forza complessa che agisce a short range e non ha un andamento del tipo 1/r 2 (long range)

Fino ad A = 30 – 40 i nuclei hanno circa lo stesso numero di protoni e neutroni (N = Z ), per grandi Z, il numero di neutroni cresce per bilanciare l’aumento della repulsione elettrica.

Dopo Z = 82 non ci sono nuclei completamente stabili.

LA RADIOATTIVITÀ

H.Bequerel scopre la radioattività nel 1896 per caso.

I nuclidi possono essere

I nuclidi instabili DECADONO con emissione di radiazioni e/o particelle. Sono definiti isotopi radioattivi.

Tramite il decadimento, essi trasmutano spontaneamente in altri isotopi.

In natura alcuni isotopi sono “naturalmente radioattivi”, altri ottenuti in laboratorio sono “artificiali”.

stabili

instabili

Rutherford ed altri hanno studiato la radioattività ed hanno classificato le radiazioni in tre tipologie:

Il nome e fu loro attribuito in base al loro potere penetrante e si stabili che essi sono*:

Le leggi di conservazione nel decadimento radioattivo

Nei decadimenti radioattivi si conserva: - la carica elettrica totale - il numero totale di nucleoni.

Una reazione nucleare si bilancia applicando queste due leggi di cons.

Inoltre si conservano l’energia e la q.d.m.

Nei decadimenti il nucleo, converte parte dell’energia a riposo (energia di disintegrazione) in energia cinetica delle particelle e dei nuclidi prodotti, quindi la massa totale dei prodotti deve essere minore di quella del nucleo originario (“padre”).

L’energia di disintegrazione è la differenza tra l’energia di legame del nucleo radioattivo e l’energia di legame totale dei prodotti della reazione

È utile scrivere i simboli di tutte le particelle coinvolte (elettroni, positroni e neutroni) come se fossero dei nuclei, ossia con l’apice per il numero di nucleoni A e il pedice per la carica elettrica

protonica.

LA RADIOATTIVITÀraggi

Le radiazioni (alfa) sono costituite da nuclei dell'atomo di elio. Se un elemento radioattivo emette una particella α, il suo nucleo si trasforma in quello di un elemento avente un numero atomicodiminuito di due unità e un numero di massa diminuito di quattro unità

LEGENDA:

P: parent (padre)

D: daughter (figlio)

ESERCIZI:

1_Il polonio-210 decade attraverso un decadimento alfa. Identifica il nuclide figlio.

Il polonio ha numero atomico 84. La reazione è

dove A e Z sono il numero di nucleoni e il numero atomico del nucleo figlio

2_ Il radon-222, un gas radioattivo che in alcune aree comporta rischi per la salute, è a sua volta prodotto dal decadimento alfa di un altro nuclide. Identifica il nuclide padre.

Si ha decadimento perché la forza nucleare forte non riesce a mantenere legato un nucleo troppo pesante.

Esso è il decadimento più comune per nuclidi con Z > 83 *

ESERCIZI:

1_ Calcolare l’energia di disintegrazione quando (massa = 232,037 u) decade in (massa = 228,029 u) con decadimento alfa.

Nel decadimento l’energia di disintegrazione si distribuisce come energia cinetica del nucleo figlio e della particella prodotta.

Si può calcolare l’energia di disintegrazione Q come:

Q=MP⋅c2−(M D⋅c

2+mα⋅c2 )

92232U

90228Th

Si ha decadimento e non i nucleoni singoli, perché la particella è fortemente legata ed ha una massa notevolmente più piccola di quella

dei 4 nucleoni.

LA RADIOATTIVITÀ raggi -

Le particella - (elettroni) vengono emesse dal nucleo di un atomo che subisce una trasformazione nella quale un neutrone si trasforma in un protone. In questa trasformazione vengono emessi un elettrone e un antineutrino. Il nucleo dell'elemento si trasforma pertanto in quello dell'elemento avente numero atomico A maggiore di un’unità.

LA RADIOATTIVITÀ raggi -

antineutrino

La particella + viene emessa dal nucleo di un atomo che subisce una trasformazione nella quale un protone si trasforma in un neutrone. Durante questa trasformazione vengono emesse un positrone ed un neutrino. Il nucleo dell'atomo si trasforma in quello dell'elemento avente numero atomico A minore di una unità. L'emissione di una particella ß+ è tipica della radioattività artificiale.

LA RADIOATTIVITÀ raggi +

LA RADIOATTIVITÀ

Nel decadimento il numero di nucleoni non cambia

Cambia il rapporto neutroni/protoni

La presenza del neutrino (nome di Fermi) si è resa necessaria per la conservazione dell’energia (Bohr VS Pauli)

LA RADIOATTIVITÀ cattura elettronica

Un nuclide che decade + può decadere anche per cattura elettronica. Invece di emettere un positrone, il nucleo cattura un elettrone degli orbitali. Viene emesso solo un neutrino

ZA P+e−=Z−1

A D+ 00 ν

I raggi γ sono privi di carica elettrica e sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche di altissima frequenza. Sono emessi o da soli (il nucleo inizialmente eccitato *, si assesta su di un livello di energia più basso) o contemporaneamente alla radiazione e . Hanno un elevato potere penetrante infatti possono attraversare una lastra di piombo anche molto spessa.

LA RADIOATTIVITA’raggi

I decadimenti e non sempre portano il nucleo figlio nello stato stabile. Spesso il nucleo figlio si trova in uno stato eccitato e a sua volta emette uno o più fotoni fino a raggiungere il livello energetico stabile.

Inoltre spesso il decadimento (naturale) avviene in serie

serie dell’U-238

Z costante

A costante

Fortemente radioattivo bassa vita media

Le REAZIONI NUCLEARISe un nucleo decade, il nucleo figlio è spesso un elemento diverso dal padre.(tranne gamma)

La trasformazione di un elemento in un altro è detta trasmutazione.

Questo può succedere anche in una REAZIONE NUCLEARE.

Essa si ha quando un nucleo è colpito da un altro nucleo o da una particella, come un neutrone o un raggio .

La prima reazione nucleare fu osservata da Rutherford nel 1919.

714 N + 2

4 He → 817O + 1

1 H con 11 H = p+

e 24 He= α

Da allora moltissime reazioni sono state effettuate.

Molti dei radioisotopi usati nei laboratori si ottengono con reazioni nucleari, ed esse avvengono di continuo in natura (es creazione del 14C in atmosfera)

Nelle reazioni nucleari come nei decadimenti valgono le leggi di:

- conservazione del numero di nucleoni

- conservazione della carica

- conservazione della q.d.m.

- conservazione dell’energia

Tali leggi sono utili per determinare se una reazione può o non può avvenire

La reazione si può indicare con

a + X = Y + bdove:

a particella proiettile (o piccolo nucleo)

X nucleo bersaglio

Y nucleo prodotto

e b particella sottoprodotto della reazione (p, n, , )

ad esempio: n + 510 Be → 3

7 Li + 24 He

Energia di REAZIONE o Q - valueè pari a:

(M = 0 se ho un raggio )

Poiché l’energia si conserva, si può scrivere anche come variazione di energia cinetica:

Se X nucleo bersaglio è fermo EK X= 0

Se Q > 0 reazione esoenergetica* EKfin > Ekin

Se Q < 0 reazione endoenergetica* EKfin < EKin

Q=(M a+M X−MY−Mb )⋅c2

Q= EK b+EK Y−EK X−EK a

La FISSIONE NUCLEAREIl nome deriva dalla biologia

Modello a goccia (liquid-drop model)

L’atomo di U235 assorbe un neutrone e diviene U236*. Comincia ad oscillare fino a che si spezza in due frammenti di fissione X e Y con emissione di neutroni (2 o 3)

La FISSIONELa reazione può essere scritta come:

Un esempio è:

ma ne esistono altri

n + 92235U → X + Y + neutroni

n + 92235U → 56

141 Ba + 3692 Kr + 3n

Ogni singola fissione rilascia 200MeV.

Se si riesce ad innescare una reazione a catena …

La FUSIONELa massa dei nuclei stabili è minore di quella dei loro componenti, quindi se 2 protoni e 2 neutroni si fondono per formare un nucleo di He ci sarà una perdita di massa ed un corrispondente rilascio di energia.

Come avviene nelle stelle.

È possibile creare una serie di reazioni che ricostruiscono il processo.

11 H + 1

1 H → 12 H + e+ + ν

11 H + 1

2 H → 23 He + γ

23 He + 2

3 He → 24 He + 1

1H +11 H

La FUSIONESi può riassumere come:

Con un’emissione di energia di 24,7 Mev per singolo evento.

Esistono altre reazioni che coinvolgono deuterio e trizio che hanno una più

alta probabilità di essere innescate.

«acqua pesante»

4 11 H → 2

4 He + 2e+ + 2 ν + 2 γ

La STORIA

1_La scoperta della radioattività

La lastra nel cassetto1896 Henry Becquerel dopo gli studi di Rontgen sui raggi X indaga le emissioni dalle sostanze fluorescenti che, sotto l'azione della luce, si coprono di una soffusa luminosità. Sceglie un minerale d’uranio, caratterizzato da un notevole potere fluorescente. Lastra fotografica, avvolto in carta nera ed esposto alla luce solare. Dopo qualche ora di esposizione, lo sviluppo la lastra fotografica evidenzia una macchia scura in corrispondenza della zona sulla quale era stato appoggiato il cristallo. Ripetuto l'esperimento, la macchia scura ricompariva, qualunque fosse lo spessore di carta usato per ricoprire la lastra fotografica. Per puro caso, Becquerel lasciò la lastra con il cristallo nel cassetto e trovò che l’annerimento si aveva anche in assenza dei raggi solari.

Era una radiazione penetrante simile ai raggi X, ma emessa spontaneamente, senza eccitazione.

Becquerel provò a riscaldare il cristallo, a raffreddarlo, a polverizzarlo, a scioglierlo in acidi, …, ma l’intensità della misteriosa radiazione restava costante.

Questa nuova proprietà della materia, battezzata col nome di radioattività, non aveva nulla a che vedere col trattamento chimico o fisico cui era sottoposta, ma era una proprietà intrinseca dell'atomo.

Negli anni successivi, un gran numero di fisici e chimici rivolsero la loro attenzione a questo nuovo fenomeno.

2_ Marie e Pierre Curie

1898Pierre e Marie Curie sottoposero tutti gli elementi chimici allora noti ed i loro composti ad una meticolosa analisi per identificare l'eventuale radioattività e scoprirono che il torio emette radiazioni simili a quelle dell’uranio.

Inoltre confrontando la radioattività di minerali di uranio con quella dell'uranio metallico, scoprirono un’altra sostanza molto più radioattiva dello stesso uranio, che chiamarono polonio, in onore della terra natale di Marie.

Poco tempo dopo Marie isolò un'altra sostanza simile al bario, circa due milioni di volte più radioattiva dell'uranio, cui fu dato il nome di radio.

La scoperta del polonio e del radio fu ben presto seguita da quella di molte altre sostanze radioattive, tra le quali l'attinio, stretto parente dell'uranio da fissione.

La ricerca in questo nuovo ramo della fisica progredì rapidamente, orientandosi verso lo studio delle proprietà della radiazione penetrante.

Al Cavendish Laboratori di Cambridge Thomson fece le prime accurate misure sul potere ionizzante delle radiazioni emesse dagli elementi radioattivi.

1899Rutherford scoprì che un preparato radioattivo può emettere almeno due specie di radiazioni, inizialmente contraddistinte in base al loro potere penetrante nella materia: la componente poco penetrante fu chiamata radiazione e quella più penetrante radiazione .

2_ Ernest Rutherford

In seguito egli riconobbe che i raggi α sono nuclei di elio doppiamente ionizzati (doppia carica positiva), i raggi β sono elettroni.

Qualche tempo dopo, il francese P. U. Villard evidenziò il terzo tipo di radiazione ancora più penetrante dei raggi beta e molto simile ai raggi X,

che egli chiamò radiazione gamma

I raggi γ sono onde elettromagnetiche, cioè fotoni di altissima energia, altissima frequenza e piccola lunghezza d’onda.

L'interpretazione del fenomeno della radioattività come un decadimento spontaneo dei nuclei atomici non lasciava alcun dubbio che i nuclei

fossero sistemi meccanici complessi costituiti da tante particelle.

Il fatto poi che i pesi atomici degli isotopi di tutti gli elementi fossero ben

rappresentati con numeri interi indicava nei protoni (nuclei elementari di idrogeno, positivamente carichi) i principali costituenti del nucleo.

Ma i nuclei erano neutri, di conseguenza, Bohr e Rutherford (1920) decisero di comune accordo che il solo modo per salvare la situazione, dal punto di vista quantistico, era di supporre l’esistenza di protoni senza

carica, che furono chiamati neutroni.

Verso il 1925 fu organizzato, presso il Laboratorio Cavendish, un intenso programma di ricerca, allo scopo espellere questi ipotetici neutroni dai nuclei, per ottenere una conferma diretta della loro esistenza, ma con risultati negativi.

Nel 1930, W. Bothe e H. Becker, osservarono che se le particelle alfa del polonio, incidevano su nuclei di elementi leggeri (berillio, boro e litio), era prodotta una radiazione particolarmente penetrante.

3_ La caccia al neutrone

1932 J. Chadwick (lab Cavendish) eseguì una serie di misurazioni che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma fosse insufficiente a dare conto dei dati osservativi. Egli congetturò che la radiazione penetrante del berillio consistesse in particelle neutre, chiamate appunto neutroni, dotate di massa approssimativamente uguale a quella dei protoni.

1931 Irene e Frederic Jolit-Curie eseguirono studi su questa radiazione, ritenendo che potesse trattarsi di radiazione , sebbene si mostrasse più penetrante e i risultati sperimentali fossero difficili da interpretare in tali termini

1934Durante lo studio dell’annichilazione delle coppie elettrone-positrone, Irene e Frederic Joliot-Curie scoprono la radioattività artificiale, cioè indotta in elementi stabili tramite bombardamento di particelle. Ad esempio:

con fosforo radioattivo indottoe doppia trasmutazione

5_ La radioattività artificiale

α +27 Al → 30 P + n →

30 Si + e+(+ ν )

Enrico Fermi riunì nel famoso Istituto di Fisica di via Panisperna un gruppo di giovani laureati: fra i teorici ricordiamo B. Ferretti, Ettore Majorana (fisico catanese scomparso misteriosamente nel 1938), G. Wick; fra gli sperimentali M. Ageno, F. Rasetti, E. Amaldi, B. Pontecorvo, E. Segrè.

5_ Fermi e i ragazzi di Via Panisperna

"I ragazzi di via Panisperna", come furono chiamati i fisici che dal 1927 al 1938 lavorarono presso l'istituto romano, riuscirono in pochi anni a portare la scuola di fisica italiana al livello dei più prestigiosi centri di ricerca europei e americani.

Venuto a conoscenza degli esperimenti dei coniugi Joliot -Curie, Fermi elaborò perciò una teoria della emissione radioattiva sia ¯ che + ed intuì che la radioattività potesse essere provocata utilizzando come

proiettili i neutroni.

1934-1936Con il gruppo di Roma, Fermi riuscì a produrre una cinquantina di elementi radioattivi. Fra i molti elementi bombardati vi era l'uranio; esso si comportava in maniera anomala: la radioattività indotta era notevolmente superiore a quella degli altri elementi.

Si ipotizzò che fosse responsabile un elemento con numero atomico di poco inferiore a quello dell'uranio, poi che si fosse creato un elemento transuranico.

Il processo provocato dai "neutroni" era però più rivoluzionario di quanto allora si potesse supporre: i neutroni, rallentati dal passaggio nell'acqua ("la fontana dei pesci rossi" dell'Istituto di Fisica romano) o nella paraffina (neutroni lenti) avevano provocato la

fissione dell’atomo di uranio.

6_ La fissione incidentale

Il vantaggio stava nel fatto che il neutrone, essendo elettricamente neutro, poteva penetrare nel nucleo atomico senza subire la repulsione da parte delle cariche presenti in esso.

Nel gruppo nessuno comprese l’accaduto e si ipotizza la creazione di transuranici

Il chimico tedesco Ida Noddack, mandò una nota suggerendo la scissione in elementi più leggeri, ma non venne presa in considerazione

1938La vera natura dell'interazione dei neutroni lenti con l'uranio fu scoperta da due fisici -chimici tedeschi, Otto Hahn e Fritz Strassmann seguendo il lavoro di Fermi.

Mentre cercavano di valutare le proprietà degli ipotetici transuranici, riuscirono a scomporre un nucleo di uranio, colpito da un neutrone, in due (o più) frammenti, senza comprendere (pure loro!) cosa fosse successo.

7_ La fissione

1938Lise Meitner già collaboratrice di Hanh, rifugiata in Svezia (poiché di origine ebrea) ed il nipote Otto Frisch, informati, da Hanh, interpretarono correttamente i risultati e dimostrarono

che un nucleo di uranio, si scompone in due (o più) frammenti, ottenendo due (o più) nuclei i cui numeri atomici corrispondono a elementi situati verso la metà del sistema periodico.

Fu Lise Meitner a dare al fenomeno il nome di

fissione.

- note biografiche- no Nobel- “madre della bomba atomica”

L’impatto del neutrone con l'atomo di uranio dava luogo alla divisione del nucleo e al rilascio di una quantità notevole di energia ciò rendeva possibile la realizzazione di una reazione a catena.

La fissione del nucleo di uranio è seguita dall’ emissione di 2 neutroni i quali, a loro possono colpire altri due nuclei di uranio producendo altri quattro neutroni e così via.

La reazione a catena si propaga rapidamente in tutto il blocco di uranio, provocando la liberazione di un’enorme quantità di energia secondo la legge

E =mc²

La prospettiva di produrre la fissione nucleare su larga scala era entusiasmante e sconvolgente.

NB: momento politico della scoperta: inizio 1939 e la seconda guerra mondiale scoppia a settembre.

Bohr, venuto a conoscenza della cosa, informò vari fisici, emigrati in America, tra i quali Fermi (moglie ebrea).

L'articolo sulla teoria della fissione nucleare di Bohr e di Wheeler, pubblicato nel settembre del 1939 fu il primo e ultimo articolo sull'argomento prima che fosse calato il sipario della sicurezza, ed era basato sul modello a goccia del nucleo.

Estate 1939Un gruppo di scienziati rifugiati (Wigner, Teller, Szilard) contatta Einstein per scrivere una lettera a F.D.Rooseveltperché venga finanziato il progetto per l’arma a fissione

In seguito alla lettera di Einstein, Roosevelt avvia il “progetto uranio”

8_ Venti di guerra

Infatti si aveva il dubbio che la Germania stesse preparando la bomba. (Club dell’Uranio dal 1939)

Incomprensione Bohr_ Heisemberg 1941Nella primavera del 1941 l'UC si rivolse a Ernest Lawrence

7 dicembre 1941 attacco a Pearl Harbour e dichiarazione di guerra agli USA

Nasce il Metallurgical Laboratory la cui direzione scientifica,

era in mano a Compton e Lawrence

A Chicago il 2 dicembre 1942, Enrico Fermi , innesca la prima reazione nucleare a catena controllata della storia: utilizzando uranio naturale all'interno di un blocco di grafite pura che rallentava i neutroni:

la "pila atomica”, fu questo il primo "reattore nucleare” sperimentale-dimostrativo funzionante.

Iniziava l'era atomica.

9_ Il “navigatore”italiano

Chicago Pile Team

Arthur Compton telefonò in forma criptata la frase segreta stabilita come segnale di successo: "il navigatore Italiano è sbarcato nel Nuovo Mondo"

Con la pila atomica diviene possibile ottenere il plutonio, materiale altamente fissionabile che si può utilizzare per la costruzione della bomba.

Nel settembre del '42 (poco prima della Pila di Fermi) l'esercito degli Stati Uniti assunse la direzione del progetto al quale, per ragioni di segretezza, venne dato un nome fuorviante:

“ Progetto Manhattan” «Manhattan District of the Army Engineers»

Quando tutto fu spostato a Los Alamos

(deserto del New Mexico) la direzione

fu affidata al brillante fisico teorico

Robert Oppenheimer. (americano!!)

10_ Il progetto Manhattan

La direzione militare invece fu affidata al brigadiere generale Leslie R. Groves, che all’inizio del ’43 acquistò per lo Stato brevetti, uranio, costruendo gigantesche industrie ed impianti (Oak Ridge, Hanford Washington)

Los Alamos divenne presto il centro principale di tutto il progetto Manhattan e il suo personale, scientifico e tecnico, crebbe a tal punto che nella primavera del '45 aveva superato le duemila unità, includendo i migliori tra i fisici teorici e sperimentali del mondo.

L'8 maggio del '45 ebbe fine la guerra in Europa con la resa della Germania nazista.

A Los Alamos si lavorava su due tipi di bomba : U235 e plutonio. La bomba a U235 fu completata due mesi dopo la fine della guerra in Europa e gli scienziati ritennero non fosse necessario sperimentarla mentre decisero di effettuare un'esplosione sperimentale della bomba al plutonio.

Il 16 luglio 1945, la prima esplosione nucleare sperimentale (plutonio), chiamata in codice Trinity, fu effettuata ad Alamogordo, un'area desertica del New Mexico.

La bomba atomica era ormai una realtà. Restava da decidere se e come usarla.

11_ Trinity

Marzo del '45 alcuni fisici cominciarono a porsi interrogativi su:- opportunità di usare le bombe atomiche, - le drammatiche conseguenze che il loro uso - la loro probabile proliferazione alla fine della guerra.

In particolare Leo Szilard scrisse un memorandum indirizzato al Presidente Roosevelt e andò a fare visita ad Einstein, fino ad allora tenuto completamente all'oscuro.

In esso si esprimeva la preoccupazione che l'uso della bomba contro Giappone potesse dare il via a una corsa agli armamenti atomici fra gli Stati Uniti e l'URSS e suggeriva l'istituzione di un sistema di controllo efficace sulla produzione di materiali utilizzabili per le bombe, controllo da estendersi a tutti i paesi del globo.

12_ Szilard ed il Franck Report

F.D. Roosevelt

Szilard scrisse alla signora Roosevelt per cercare di fare pervenire al Presidente il memorandum e la lettera di Einstein.

La moglie del Presidente riuscì a fissare un appuntamento per un incontro con Roosevelt per l'8 maggio 1945, incontro che non ebbe mai luogo perché il Presidente morì improvvisamente il 12 aprile.

Szilard tentò di fare avere il suo memorandum al nuovo Presidente Harry S. Truman e si recò anche alla Casa Bianca per cercare di ottenere un colloquio con due colleghi ma incontrò solo un assistente.

Al loro ritorno a Chicago Szilard e i suoi colleghi furono violentemente criticati dal generale Groves, che li accusò di avere compiuto una grave violazione delle norme di sicurezza

Harry Truman

Nei giorni successivi Compton, nominò un comitato presieduto da James Franck, un fisico immigrato dalla Germania a causa leggi razziali, con E. Rabinowitch e Szilard, per esaminare la questione se e in che modo la bomba dovesse essere usata.

All'inizio di giugno del 1945 il rapporto finale, "Rapporto Franck", fu recapitato urgentemente al ministro della Guerra Stimson perché lo inoltrasse a Truman.

In esso veniva sconsigliato l'uso di bombe atomiche sul Giappone e si consigliava una dimostrazione incruenta della bomba atomica, per convincere i giapponesi della sua potenza. Non essendo arrivata risposta al Rapporto Franck, Szilard si convinse "era giunto il momento per gli scienziati di esprimersi pubblicamente contro l'uso della bomba sulle città del Giappone", e verso la fine di giugno del '45 scrisse e fece circolare fra i colleghi del progetto Manhattan una petizione ma, dopo alterne vicende, essa non arrivò mai al Presidente Truman.

Brano originale del “Franck Report”

Dopo il test Trinity, il 6 agosto 1945 alle 8:16, l'Aeronautica militare statunitense (un Boeing B-29 Superfortress chiamato Enola Gay), sganciò la bomba atomica "Little Boy" sulla città giapponese di Hiroshima,

13_ 6 agosto 1945

seguita tre giorni dopo dal lancio dell'ordigno "Fat Man" su Nagasaki

(alle 11:02 del 9 agosto 1945).

Hiroshima

Nagasaki

In some sort of crude sense which no vulgarity, no humor, no overstatement

can quite extinguish, the physicists have known sin; and this is a knowledge which

they cannot lose.Robert J. Oppenheimer

Credo che nessuna volgarità, nessuna battuta di spirito, nessuna esagerazione possano estinguere il fatto che i fisici hanno conosciuto il peccato e questa è una conoscenza che non possono perdere

Robert J. Oppenheimer

POSSIBILI APPROFONDIMENTI:(tecnologici)

- Applicazioni del decadimento radioattivo: es. datazione radioattiva 14C (arte – archeologia)

- Effetti biologici delle radiazioni - incidenti nucleari

- La “questione” dell’energia nucleare in Italia e l’approvvigionamento energetico

- I rivelatori di radiazioni e il problema Radon (dose e danno)

- Applicazioni mediche (sia diagnostiche che terapeutiche)

- Reattori nucleari e problematiche relative

- La proliferazione nucleare (negli anni ’60 e ora)

- Legge del decadimento radioattivo