Che cos'è la fisica nucleare?
Scienza e Fisica Quantistica
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Antonella Ravizza - 30/03/2023
La fisica nucleare è quella parte della fisica che studia il nucleo dell’atomo e tutti i suoi componenti e si differenza sia dalla fisica atomica, che studia tutto l’atomo composto dal nucleo e dagli elettroni, sia dalla fisica delle particelle. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.
La fisica nucleare si divide inoltre in fisica della struttura nucleare, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (la massa per esempio) e fisica delle reazioni nucleari, che studia i processi in cui due o più nuclei interagiscono per formare altri nuclei, o emettendo altre particelle, o frammentandosi, o fondendo.
Le informazioni che abbiamo oggi sulla struttura atomica sono state ricavate soprattutto dallo studio delle reazioni e dei decadimenti, che possono essere naturali o artificiali. Le reazioni nucleari che possiamo trovare in natura sono: i decadimenti radioattivi e le reazioni che avvengono nelle stelle e che generano calore, luce e pure altre forme di radiazioni. In laboratorio, invece, le reazioni nucleari sono studiate per mezzo di acceleratori di particelle, che a volte ricreano le condizioni del plasma stellare.
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Lo studio dell’atomo però non è uno studio moderno come potrebbe sembrare, al contrario ha origini antichissime: già nell’antica Grecia Democrito parlava degli atomi, individuandoli come particelle indivisibili che compongono la materia. Nel XIX secolo furono scritte le prime teorie sugli atomi e John Dalton scrisse la prima teoria in cui stabilì che la materia è composta da atomi, gli atomi degli stessi elementi sono tutti uguali mentre gli atomi di elementi diversi sono diversi perché hanno masse diverse e le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi. Verso la fine del 1800 J. J. Thomson ipotizzò che l’atomo, carico positivamente, avesse al suo interno elettroni carichi negativamente, disposti come l’uvetta nel panettone.
E. Rutherford in seguito ipotizzò che la massa e la carica elettrica positiva fossero concentrate nel nucleo dell’atomo, molto piccolo, mentre gli elettroni fossero posizionati in una zona periferica rispetto al nucleo. Riuscì a dimostrare tutto questo bombardando una lamina d’oro con delle particelle alfa di elio. Dimostrò che la teoria di Thomson non era valida, perché le particelle alfa non si comportavano sempre allo stesso modo, ma alcune superavano la lamina mentre altre venivano deviate. Secondo l’ipotesi di Rutherford le particelle deviate passavano vicino al nucleo carico positivamente, mentre quelle che superavano la lamina passavano nello spazio tra il nucleo e gli elettroni.
Nel 1913 Bohr migliorò il modello di Rutherford, sostenendo che gli elettroni ruotavano intorno al nucleo cambiando orbita a seconda che ricevessero o perdessero energia. Si giunse poi al modello quantistico, l’ultimo modello, secondo il quale non è possibile conoscere con precisione dove si trova l’elettrone, ma è possibile stabilire con una certa probabilità dove l’elettrone andrà. Il nucleo atomico esiste e si trasforma grazie alle forze o interazioni nucleari. Le forze nucleari sono la forza nucleare forte e la forza nucleare debole, che rientrano nel modello standard insieme all’interazione elettromagnetica e alla forza di gravità.
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La forza nucleare forte può essere osservata in scala più piccola tra i quark per formare i protoni e i neutroni e in scala più grande fra protoni e neutroni a formare il nucleo dell’atomo. Nel primo caso le particelle mediatrici sono i gluoni, nel secondo i pioni. L’interazione debole è la forza che interviene sui neutrini negli esperimenti di laboratorio per i quali è trascurabile la forza di gravità.
La forza nucleare debole è responsabile dei decadimenti radioattivi, per esempio il decadimento beta, per il quale un neutrone si trasforma in un protone con l’emissione di elettroni (radiazione beta) e di neutrini.
La fisica nucleare vede le principali applicazioni pratiche nelle centrali elettro-nucleari, che sono impianti che trasformano il calore prodotto da una particolare reazione nucleare (la fissione) in elettricità. La parte dell’impianto che produce calore si chiama reattore, nel quale si svolge la fissione dell’Uranio. L’Uranio ha la caratteristica di essere instabile, quindi se un neutrone colpisce il nucleo di Uranio, questo si divide in due frammenti di massa complessiva leggermente più piccola di quella iniziale e la massa scomparsa si trasforma in energia. Questa energia è in piccole quantità, ma la scissione del nucleo produce anche altri neutroni che si muovono velocemente e che scindono altri nuclei di Uranio…., così la reazione a catena produce istantaneamente enormi quantità di energia. I rifiuti radioattivi provenienti da vari usi dell’energia nucleare presentano caratteristiche diverse e sono problematici dal punto di vista dello smaltimento. Attualmente i rifiuti radioattivi sono seppelliti in barili contenenti le scorie a grande profondità in formazioni geologiche di cui si possa prevedere la stabilità per molti secoli, ma avere la sicurezza totale è praticamente impossibile.
