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L'atomo - Gli isotopi, La fissione nucleare, La fusione nucleare

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L'atomo

La più piccola parte in cui si può suddividere una sostanza senza che perda le sue caratteristiche è la molecola. La molecola è la combinazione di particelle invisibili, gli atomi, che caratterizzano in modo inequivocabile le sostanze. Ritenuto indivisibile, si è scoperto che a sua volta l'atomo è suddiviso in particelle ancora più piccole: i protoni, i neutroni e gli elettroni. I protoni, particelle dotate di carica elettrica positiva e i neutroni, particelle elettricamente neutre, formano una massa che costituisce il nucleo dell'atomo. Attorno al nucleo ruotano, su orbite ben precise, gli elettroni, particelle dotate di carica elettrica negativa. In un qualsiasi atomo il numero dei protoni è sempre uguale a quello degli elettroni, l'atomo quindi risulta neutro.

Il numero dei protoni (e quindi anche il numero degli elettroni) è detto numero atomico.

La somma del numero dei protoni e quello degli elettroni è detto numero di massa.

La somma della massa dei neutroni, dei protoni e degli elettroni è detta massa atomica.



Molto importante in chimica è il peso atomico, ovvero il peso di un atomo, che è ovviamente la somma dei pesi atomici delle varie particelle che lo compongono.

In chimica però non si fa riferimento a questo peso atomico assoluto, ma piuttosto al peso atomico relativo, che è il numero che indica il rapporto tra il peso atomico dell'atomo e l'unità di misura.

Abbiamo detto che gli elettroni ruotano attorno al nucleo su orbite ben precise. Se potessimo osservare un atomo vedremmo una piccola sfera (il nucleo) con un contorno nebuloso (la nuvola di elettroni che vi ruota attorno a gran velocità).

Gli elettroni ruotano ad una distanza ben definita dal nucleo, formando attorno ad essi degli strati gusci concentrici, detti appunto strati elettronico o gusci elettronici.

Il numero degli strati e degli elettroni di ciascuno strato è tipico per ogni atomo e segue leggi ben precise e complesse.

Il primo strato può contenere al massimo due elettroni, il secondo strato al massimo otto; se l'atomo ha un solo strato conterrà non più di due elettroni.

 

Gli isotopi

Atomi di uno stesso elemento, ma con numero diverso di neutroni (perché il numero di massa può variare), si dicono isotopi dell'elemento stesso. Essi avranno lo stesso comportamento chimico, ma diverse caratteristiche dal punto fisico. Tutti gli elementi presenti in natura hanno diversi isotopi.

La radioattività naturale

Come tutte le grandi scoperte, i raggi X stimolarono subito una numerosa serie di ricerche soprattutto allo scopo di determinarne la natura. Nel 1896 Becquerel, mentre cercava di evidenziare la possibile emissione di raggi X da parte di alcuni metalli resi fluorescenti dalla luce, scoprì quasi casualmente che i sali di uranio avevano la proprietà di annerire le lastre fotografiche anche quando le lastre erano completamente racchiuse dentro un involucro opaco alla luce. Intuì che l’annerimento delle lastre doveva essere provocato da qualche radiazione emessa spontaneamente dall’uranio. 

La scoperta di Becquerel fu in seguito chiamata radioattività naturale e fece sì che un gran numero di ricercatori si interessò subito dei problemi connessi con le misteriose radiazioni.

I primi importanti risultati furono raggiunti da una giovane studiosa di chimica di origine polacca, Marie Sklodowska Curie , e da suo marito Pierre Curie ,che, studiando le radiazioni emesse dalla pechblenda (un minerale che contiene uranio), scoprirono nel 1898 che gli elementi presenti nel minerale, come il radio, il torio e il polonio, avevano la stessa proprietà di emettere spontaneamente le radiazioni.

Nel 1905 venne eliminata l’apparente contraddizione tra questi fenomeni e il principio di conservazione dell’energia grazie all’elaborazione della TEORIA DELLA RELATIVITA’ di Albert Einstein in base alla quale una data quantità di materia può trasformarsi in energia 'sendo' come materia e 'riendo' come energia (e viceversa). Secondo questo principio è sufficiente la ssa di una piccolissima massa per ottenere un enorme quantità di energia.

La grande novità contenuta nella scoperta della radioattività fu chiarita negli anni successivi attraverso questo studio della natura delle radiazioni; fu dimostrato infatti che le radiazioni sono il risultato di trasformazioni della materia in cui gli atomi non conservano più la loro identità.

La presenza di radiazioni è dunque indice di trasformazioni che coinvolgono il nucleo di particolari isotopi di alcuni elementi. Gli isotopi i cui nuclei sono instabili e tendono a trasformarsi in altri più stabili emettendo radiazioni sono denominati radioisotopi.




La fissione nucleare

Nel 1945, le due bombe lanciate su Hiroshima e Nagasaki, utilizzarono l'energia nucleare.

L'impiego dell'energia nucleare per scopi pacifici ebbe inizio attorno agli anni sessanta e si concretizzò all'inizio degli anni settanta con la costruzione delle prime centrali elettronucleari o atomiche.

 In queste centrali è attualmente usata l'enorme energia che si sprigiona dalla fissione nucleare, che può avvenire nel nucleo atomico dell'uranio, del torio e del plutonio.

Prendiamo per esempio l'uranio, in cui avviene esattamente all'isotopo 235. 

L'atomo 235, viene bombardato con un neutrone a grande velocità; esso si scinde (fissione) in due, formando due atomi più leggeri (bario e cripto) e di massa inferiore ed emettendo tre neutroni. 

Durante la fissione viene liberata una grande quantità di energia che corrisponde -secondo la relazione di Albert Einstein- alla perdita di massa.I neutroni liberati dalla reazione, bombardano a loro volta altri atomi di  uranio, dando luogo ad una reazione a catena che si alimenta da se. 

Per innescare tale reazione a catena e mantenere viva la fissione, è necessario che la massa dell'uranio a disposizione sia di circa 7,5 kg (massa critica).

Superata tale massa critica, la reazione diventa incontrollata ed il fenomeno 'esplosivo', come accade nelle bombe atomiche.

Nelle centrali nucleari, la reazione che avviene nei reattori nucleari, è tenuta sotto controllo tramite barre al carbonio e quindi l'energia termica che si sprigiona può essere utilizzata in modo analogo a quanto avviene nelle centrali termoelettriche.

La fusione nucleare

 

Ancora in fase di studio per quanto riguarda la sua utilizzazione per la produzione di energia controllata è la fusione nucleare. Attualmente avviene in natura soltanto nel Sole e nelle stelle; l'uomo l' ha tragicamente sperimentata nella bomba all'idrogeno (bomba H). 

Al contrario della fissione, è una reazione fra due atomi leggeri che, fondendosi, formano un atomo più pesante, ma di massa inferiore e che, libera un enorme quantità di energia.

I due atomi leggeri sono di deuterio e tritio (isotopi dell'idrogeno H), fondendosi formano un atomo di elio, liberano un neutrone ed un enorme quantità di energia.

Affinché ciò avvenga, i due atomi di partenza devono essere dotati di una velocità elevata (devono vincere la forza di repulsione elettronica dei protoni) e ciò si ottiene portandoli a temperatura elevatissima (milioni di gradi), cosa al momento non ancora realizzata in laboratorio. 

Nella bombe H ciò e stato possibile grazie all'esplosione di piccole bombe atomiche

a fissione che provocarono le condizioni adatte a innescare l'istantanea fusione dei nuclei di idrogeno, con conseguente emissione incontrollata di energia.






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