Una bomba atomica si basa sul meccanismo della fissione nucleare, sarebbe corretto chiamarla “bomba a fissione nucleare“, ma il nome è troppo lungo :). La fissione è qualcosa di veramente strano e quasi impossibile da realizzare; i fisici per anni, studiando il nucleo, sono riusciti a trovare il modo di romperlo e da li si è aperto il mondo della fisica nucleare.
Quando si rompe il nucleo di un atomo si sprigiona una quantità enorme di energia, per il semplice fatto che il nucleo è anch’esso trattenuto da forze enormi. In fisica esiste un principio base di conservazione dell’energia, che si può sperimentare facilmente tutti i giorni. Ad esempio se vi strofinate le mani, sentirete del calore… quel calore è energia trasformata, ne creata ne distrutta.
Quindi l’energia, si trasforma, ma non solo… anche la massa si trasforma.
Energia e massa
Possiamo racchiudere tutto quanto in una formula divenuta tanto famosa da essere conosciuta da tutti! Provate a chiedere a qualcuno per strada…
$$ E = mc^2$$
Einstein trovò questa relazione nel 1905 come postilla ai suoi famosi articoli dell’annus mirabilis e capì che tra massa ed energia vi era un legame intrinseco: in sostanza la massa può trasformarsi in energia e viceversa. Nella formula la massa \(m\) è moltiplicata per la velocità della luce al quadrato, un numero enorme: \(3\times 10^{16}\) che ci suggerisce il seguente fatto sorprendente: una piccola quantità di massa può trasformarsi in un‘enorme quantità di energia!
Grande Giove! Direbbe qualcuno…
Gli scienziati iniziarono a porsi la domanda se questo fenomeno poteva manifestarsi o essere misurato e la risposta era evidente… la radioattività! Alcuni elementi infatti emettono energia spontaneamente… può essere per caso che quell’energia è massa trasformata?
Fisica della Bomba Atomica
In una bomba atomica avviene una reazione di fissione nucleare cosiddetta “a catena”. Questo succede quando i nuclei sono abbastanza vicini da innescare la “catena di fissione“. Se la massa atomica supera il valore soglia di \(\approx 230\) allora un neutrone che colpisce un nucleo atomico a sua volta genera elementi leggeri ed energia in un circolo vizioso.
I materiali fissili per eccellenza, utilizzati a questo scopo sono l’uranio-235 (\(^{235}U\)) ed il plutonio-239 (\(^{239}Pu\)). Quando un neutrone libero colpisce uno di questi nuclei, si crea nel nucleo che lo assorbe, uno stato di caos ed instabilità che porta poi alla fissione dello stesso (il tutto in un tempo istantaneo)
Questa rottura genera altri neutroni circa \(2\) o \(4\) % ed energia all’incirca per un valore di \( \approx 200 MeV \) (MegaelettronVolt). Naturalmente i neutroni liberati possono a loro volta re-innescare il processo, che può essere controllato oppure non controllato.
Questa è la differenza tra un reattore ed una bomba atomica. Nel primo caso si creano le condizioni per controllare la reazione e quindi estinguerla, nel secondo si fa l’opposto, si creano le condizioni geometrico-fisiche (volume, massa critica ecc), affinché la reazione si inneschi a catena.
Reazione a catena
Di seguito riportiamo un esempio di reazione a catena per un elemento di uranio-235 (\(^{235}U\)):
$$ ^{235}U + n \rightarrow ^{236}U \rightarrow $$
$$ \rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3n + 200MeV $$
In sostanza quello che avviene è espresso di seguito:
- Un neutrone libero impatta con un nucleo di uranio-235.
- Viene prodotto un isotopo di uranio-236.
- La fissione produce casualmente bario-141 e kripton-92, 3 neutroni liberi e 200 MeV di energia.
- I neutroni liberi possono re-innescare il processo a catena.
Innesco ed Esplosione
Come si avvia la bomba? Il tutto parte dal nocciolo, una sferetta cava di fissile. ad esempio plutonio-239. È posto all’interno di più sfere concentriche di metalli diversi (ad es. carburo di tungsteno) e circondato da un complesso sistema di riflettenti neutronici, cariche esplosive e detonatori elettronici.
Quando l’esplosivo che circonda il nocciolo viene fatto brillare, l’onda d’urto concentrica produce l’implosione perfettamente simmetrica della massa di plutonio. La cavità centrale scompare, il materiale schiacciato dall’onda d’urto viene concentrato di un fattore 2 o più, la massa diventa supercritica, l’iniziatore centrale si attiva, La bomba esplode
La verità su Oppenheimer
Cosa possiamo dire riguardo a Julius Robert Oppenheimer, coordinatore del Progetto Manhattan? La verità è una sola, non esiste una singola persona dietro ad un progetto così grande. Sarebbe piu’ corretto affermare che la bomba atomica, è il risultato di una ricerca che ha coinvolto diverse menti nel corso del ‘900.
La cosa importante è che la scienza sia solo uno strumento, che ci accompagni verso la strada che porta alla realtà…
GIUX
