Fissione nucleare

Nel 1938 Otto Hahn e Fritz Strassmann scoprirono che bombardando ${}^{235}$U con neutroni si producevano nuclei di bario e cripto: il nucleo di uranio si era spezzato in due. Lise Meitner e Otto Frisch — in esilio in Svezia per la persecuzione nazista delle loro origini ebraiche — interpretarono il risultato e coniarono, nel 1939, il termine fissione per analogia con la divisione delle cellule in biologia.

Una reazione tipica è: $n + {}^{235}\text{U} \to {}^{141}\text{Ba} + {}^{92}\text{Kr} + 3\,n + 200\;\text{MeV}$

I frammenti prodotti, essendo più vicini al massimo della curva di legame, hanno $B/A$ maggiore dell’uranio: la differenza di energia di legame, circa $200\;\text{MeV}$ per fissione, esce come energia cinetica dei frammenti e dei neutroni.

La caratteristica decisiva è che ogni fissione produce in media $2{,}5$ neutroni. Ciascuno di essi può innescare la fissione di un nuovo ${}^{235}$U: se la massa di combustibile è abbastanza grande (la massa critica), un neutrone genera in media più di un neutrone successivo e la reazione si autosostiene in una reazione a catena. Lo stesso identico fenomeno, a seconda di come lo si governa, diventa due cose molto diverse:

• in un reattore nucleare la reazione è tenuta in regime stazionario mediante barre di assorbimento (cadmio) che catturano i neutroni in eccesso e moderatori (acqua, grafite) che li rallentano;
• in un’arma nucleare la reazione viene invece accelerata, provocando una crescita esponenziale del numero di fissioni in pochi microsecondi.

Esempio — Quanti grammi di uranio per una città?

Un singolo evento di fissione libera $\sim 200\;\text{MeV} \approx 3{,}2\cdot 10^{-11}\;\text{J}$. Un grammo di ${}^{235}$U contiene $\frac{N_A}{235\;\text{g/mol}}\cdot 1\;\text{g} \approx 2{,}6\cdot 10^{21}\;\text{atomi}$ quindi un’energia di fissione totale di $\ev{E \approx 2{,}6\cdot 10^{21}\cdot 3{,}2\cdot 10^{-11} \approx 8\cdot 10^{10}\;\text{J}}$ l’equivalente di circa $20$ tonnellate di tritolo (TNT). È la fisica fondamentale nella sua forma più cruda: meno di un grammo di uranio per distruggere una caserma.

Contesto storico — dalla scoperta alla bomba

Dalla scoperta di Hahn e Strassmann (dicembre 1938) alla prima esplosione nucleare (Trinity Test, 16 luglio 1945) passarono meno di sette anni. In quel breve arco Albert Einstein scrisse a Roosevelt suggerendo di costruire un’arma prima della Germania; nacque il Manhattan Project (Robert Oppenheimer, $130\,000$ persone, circa $2$ miliardi di dollari dell’epoca); e si arrivò a Hiroshima e Nagasaki (6 e 9 agosto 1945). Otto Hahn, internato in Inghilterra con altri scienziati tedeschi, apprese della bomba dalla radio e cadde in profonda depressione (Rhodes 1986).

Collegamenti

Argomenti: Fisica nucleare Concetti: Fissione nucleare · Energia di legame nucleare

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