Accenno alla fissione nucleare

Le reazioni nucleari sono reazioni esoergoniche (sprigionano energia) che coinvolgono i nuclei di diversi atomi. Le reazioni nucleari di maggior interesse per la produzione di energia sono la fusione e la fissione nucleare. Nella fusione due nuclei atomici leggeri si fondono per dar vita a un nucleo più pesante, mentre nella fissione un nucleo pesante si divide in due nuclei più leggeri. Il fatto che i nuclei siano relativamente “leggeri” o “pesanti” dipende dal numero di nucleoni (protoni e neutroni) da cui il nucleo stesso è formato.

La fissione si ottiene quando il nucleo di un elemento pesante viene bombardato da neutroni che, avendo carica neutra, comportano meno problemi nel vincere la repulsione Coulumbiana di quanti ce ne sarebbero stati se come proiettili venissero utilizzati dei protoni.

Il processo di fissione più sfruttato dall’uomo è quello dato dall’Uranio 235, il quale ha un nucleo che quando viene fatto scontrare con un neutrone lo ingloba, diventando l’isotopo altamente eccitato e di conseguenza instabile Uranio 236 e scindendosi poi in due nuclei più leggeri più, a seconda dei prodotti, due o tre neutroni. L’energia liberata è di circa 0,2 GeV (1 Elettronvolt è l’energia acquistata o persa da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di un volt; è un unità di misura dell’energia spesso utilizzata in fisica atomica per definire l’equivalente in energia della massa di una particella).

I neutroni emessi durante la fissione possono essere sfruttati per generare una reazione a catena che permette di utilizzare la reazione come fonte di energia, difatti questa è a grossomodo la tecnica utilizzata nelle centrali nucleari a fissione.

Nell’immagine: fissione dell’Uranio 235 in Kripton (Kr), Bario (Ba) e 3 neutroni.

Un esempio di fissione dell’Uranio è la seguente:

U235* + n* –> U236 –> Xe140 + Sr94 + 2n + Energia                             *il numero affianco al simbolo dell’elemento                                                                                                                                      indica il numero di nucleoni.                                                                                                                                                   **n sta per neutrone/i

Possiamo notare che il numero dei nucleoni resta invariato, difatti si hanno 236 nucleoni all’inizio e (140+94+2)=236 nucleoni alla fine della reazione. Come si può notare nel seguente grafico, l’energia di legame media per nucleone cresce fino al Fe 56 per poi tornare a decrescere. Ciò significa che come prodotto di una fissione nucleare si ottengono nuclei con un energia media per nucleone più alta rispetto ai nuclei di partenza. Questo vale anche per le reazioni di fusione di nuclei leggeri (che non verranno trattate in questo articolo), difatti l’energia media per nucleone cresce rapidamente all’inizio del grafico, nella zona che corrisponde a nuclei leggeri e tipici delle fusioni nucleari come l’Idrogeno (H) e l’Elio (He).

Energia associata

Per calcolare l’energia liberata da una reazione nucleare si può fare la differenza tra le masse iniziali e quelle finali. Ne verrà fuori un difetto di massa che, moltiplicato per 931 MeV (energia associata alla massa di 1 unità di massa atomica), ci darà come prodotto l’energia espressa in MeV equivalente alla massa mancante dalla differenza tra masse iniziali e masse dei prodotti. Prendendo per esempio la reazione precedentemente citata:

U235* + n* –> U236 –> Xe140 + Sr94 + 2n + 184,338MeV

Conoscendo le masse: Uranio 235 (235,004 u); Neutrone (1,009 u); Xenon (139,922u); Stronzio (93,915 u); si ha che:

Massa iniziale: 235,044u + 1,009u = 236,053u

Massa finale: 139,922u + 93,915u + 2(1,009u) = 235,855u

Difetto di massa: 236,053u – 235,855u = 0,198u

Sapendo che la massa mancante si è trasformata in energia e che 1u equivale a 931 MeV:

0,198u x 931 MeV/u = 184,338 MeV è l’energia associata alla fissione presa in considerazione in questo caso di un nucleo di Uranio.

Grazie per la lettura.

R. Panai

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Robert Panai

Studente al quinto anno di chimica e biotecnologia ambientale. Ha una forte passione per le scienze matematiche e per ciò che è infinitamente piccolo e infinitamente grande. Appassionato di Astrofotografia da due anni, microfotografia a microorganismi e cristalli.