Formulario di fisica: le reazioni nucleari

L’energia che alimenta le stelle, la forza distruttiva delle bombe atomiche, la promessa di un’energia pulita e inesauribile: tutte queste sono manifestazioni delle reazioni nucleari. Da quando l’umanità ha scoperto la potenza nascosta nel nucleo degli atomi, il campo della fisica nucleare ha attraversato un percorso di scoperte straordinarie, sfide tecniche e profonde riflessioni etiche.

Gli atomi, da sempre considerati gli "edifici" fondamentali della materia, nascondono nel loro nucleo un mondo di particelle e forze che operano su scale infinitesimali, ma con conseguenze macroscopiche. Quando i nuclei atomici interagiscono tra loro, si verificano delle reazioni nucleari. Queste possono portare alla fusione di nuclei leggeri, come avviene nelle stelle, o alla scissione di nuclei pesanti, come avviene nei reattori nucleari e nelle bombe atomiche.

Diversamente dalle reazioni chimiche, dove gli elettroni sono i protagonisti e i nuclei restano invariati, nelle reazioni nucleari è il nucleo stesso ad essere trasformato. Queste trasformazioni rilasciano o assorbono enormi quantità di energia, spesso milioni di volte superiore a quella delle reazioni chimiche. La famosa formula di Einstein, £$E=mc^2$£, ci dice che la massa e l’energia sono strettamente collegate, e nelle reazioni nucleari vediamo questa equivalenza in azione: piccole variazioni di massa possono liberare enormi quantità di energia.

La matematica e la fisica delle reazioni nucleari sono complesse, ma fondamentali per comprendere e controllare questi potenti processi. Scopriamone insieme le caratteristiche!

• Definizione di reazione nucleare
• Definizione di fissione nucleare
• Definizione di fusione nucleare
• Principi di conservazione nelle reazioni nucleari

Definizione di reazione nucleare

Una reazione nucleare è la trasformazione di uno o più nuclei (detti reagenti) in uno o più nuclei (detti prodotti) diversi da quelli di partenza. Una reazione nucleare è un processo in cui due nuclei atomici o una particella e un nucleo interagiscono, risultando nella variazione del nucleo stesso. Questo può comportare la trasformazione di un elemento in un altro, il rilascio o l’assorbimento di particelle e, spesso, la liberazione di una grande quantità di energia. Esempio di questo può essere il decadimento radioattivo, dove un nucleo instabile emette una particella, come un elettrone o un positrone, trasformandosi in un altro nucleo.

Definizione di fissione nucleare

La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui un nucleo di massa elevata, spontaneamente o perché colpito da un neutrone, si scinde in due (o più) nuclei più leggeri, liberando energia. In questo caso, un nucleo pesante si divide in due o più nuclei più leggeri, liberando una quantità significativa di energia. Questo processo è alla base del funzionamento delle centrali nucleari e delle bombe atomiche. Un esempio comune di fissione è la divisione del nucleo dell’uranio-235 quando assorbe un neutrone.

Definizione di fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione nucleare in cui due nuclei leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante, rilasciando energia equivalente alla differenza di massa della reazione. È la reazione che alimenta il Sole e altre stelle. Sul nostro pianeta, la fusione controllata è oggetto di intensa ricerca come potenziale fonte di energia pulita e inesauribile, ma raggiungere le condizioni necessarie per sostenere una reazione di fusione è estremamente sfidante.

Principi di conservazione nelle reazioni nucleari

Nelle reazioni nucleari si conservano la carica elettrica e la massa-energia. La differenza tra la massa totale dei reagenti e quella dei prodotti £$\Delta m$£, moltiplicata per £$c^2$£ equivale all’energia £$E$£ che viene liberata (o immagazzinata) nella reazione: