Trasmutazioni nucleari  

Dopo la scoperta della radioattività naturale ad opera di Marie e Pierre Curie, i primi ricercatori pensarono di usare le particelle emesse spontaneamente dai nuclei atomici, ed appartenenti esse stesse al mondo nucleare, per cercare di indagare la struttura dell'atomo e poi del nucleo. Il pioniere in questo campo fu Ernest Rutherford, che bombardò atomi d'oro con particelle alfa, dimostrando l'esistenza del nucleo atomico ed elaborando il modello planetario dell'atomo.

Fu lo stesso Rutherford, continuando le proprie ricerche, ad ottenere la prima trasmutazione naturale artificiale. Usò infatti le particelle alfa emesse da quello che egli chiamava Radio C', e che oggi sappiamo essere l'isotopo polonio-214, per disintegrare alcuni nuclei di azoto, secondo la reazione:

     (1)

In essa, E rappresenta l'energia emessa dalla reazione, che in questo caso è pari a – 1,16 Mev. Dato che E < 0, affinché la reazione nucleare abbia luogo, è necessario che le particelle alfa abbiano un'energia almeno pari proprio a 1,16 MeV ciascuna (reazione endoergonica), altrimenti l'azoto non si rompe. Tale reazione può venire scritta, in modo più semplice, come segue:

In pratica a sinistra si scrive il nucleo bersaglio, a destra il nucleo che si ottiene dopo la reazione, mentre fra parentesi si scrivono la particella incidente e quella emessa dal nucleo bombardato (oppure la radiazione elettromagnetica emessa dal nucleo bombardato).

Naturalmente nelle reazioni nucleari, come in quelle chimiche, alcuni parametri si devono conservare. Tanto per cominciare, il numero di massa totale a sinistra deve essere uguale al numero totale a destra; vedremo che questa regola prenderà il nome di conservazione del numero barionico. Si tratta di una conseguenza della conservazione dell'energia, perchè il numero di massa rappresenta l'intero più vicino alla massa del nuclide, e la Relatività Ristretta ci ha insegnato che la massa è solo una particolare forma di energia. Nella (1) si verifica subito che nel membro di sinistra il numero di massa totale è 14 + 4 = 18, mentre nel membro di destra è 17 + 1 = 18.

Un'altra importante reazione nucleare, oltre alla cattura di particelle alfa con successiva liberazione di un protone, è la reazione ( α , n ). Fu proprio bombardando con particelle alfa un bersaglio di berillio, che nel 1930 fu ottenuta la produzione di neutroni, riconosciuti come tali da James Chadwick. La reazione è:

che si può scrivere anche:

Anch'essa rispetta la conservazione del numero di nucleoni: ce ne sono infatti 9 + 4 = 13 al primo membro e 12 + 1 = 13 al secondo. E fu sempre con una reazione del tipo ( α , n ) che, nel 1934, i coniugi Irène Curie (1897-1956) e Frédéric Joliot (1900-1958), i quali presero entrambi il doppio cognome Joliot-Curie dopo il matrimonio, misero in evidenza la possibilità di ottenere artificialmente un nuclide radioattivo. Bombardando infatti con particelle alfa una lastra di alluminio, i due coniugi scienziati ottennero un isotopo del fosforo assolutamente inesistente in natura, e dunque del tutto nuovo! La reazione è:

Questo nuovo isotopo è radioattivo, con un periodo di dimezzamento di 2,5 minuti, secondo la reazione:

nella quale riconosciamo un decadimento beta più. In tal modo, i coniugi Joliot-Curie ottennero il Premio Nobel per la Fisica per aver scoperto la radioattività artificiale. Purtroppo Marie Curie, madre di Irène, non fece in tempo a vedere questo successo della figlia e del genero, perchè il 4 luglio 1934 era deceduta nel sanatorio di Sancellemoz di Passy, in Alta Savoia, a causa della leucemia contratta a causa dell'esposizione prolungata alle sostanze radioattive.

Gli scienziati partecipanti al Congresso Solvay del 1927

I due coniugi scienziati osservarono anche che il modo più efficace per rendere radioattivo per emissione gamma un nucleo stabile consiste nel bombardarlo con neutroni. Tale reazione nucleare prende il nome di attivazione neutronica o ( n , γ ), e consiste nella cattura di un neutrone da parte di nucleo; nel modello nucleare a shell, esattamente come accade per l'atomo di idrogeno eccitato, in seguito all'assorbimento dell'energia portata con sé dal neutrone, i nucleoni saltano su un livello energetico più elevato, per poi ricadere nella loro sede naturale, emettendo la loro energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Essa però non è più dell'ordine delle decine o delle centinaia di eV, come nell'atomo, e quindi i fotoni non sono più nello spettro del visibile o dell'ultravioletto. Ora i salti energetici sono dell'ordine del MeV, per cui i fotoni emessi sono nello spettro dei raggi gamma. Lo spettro dei fotoni gamma rappresenta dunque una "mappa" delle shell nucleari, proprio come lo spettro dell'atomo di idrogeno rappresenta la "mappa" dei livelli energetici dei suoi elettroni! Tutto questo ha permesso di spiegare compiutamente il meccanismo del decadimento gamma, che altro non è se non una diseccitazione nucleare.

Osserviamo che, in seguito all'attivazione neutronica, il numero dei protoni non cambia, ma quello dei neutroni aumenta di uno, per cui il nuclide iniziale e quello finale sono isotopi dello stesso elemento. Un esempio di attivazione neutronica è il seguente:

e in simboli:

Ecco uno specchietto delle principali reazioni nucleari, e delle modifiche che esse apportano a Z e ad A:

Queste reazioni permettono di trasformare o, come si dice in gergo tecnico, trasmutare i nuclei gli uni negli altri, letteralmente "creando" dei nuclidi che non erano mai esistiti prima in natura, se non al momento del Big Bang. Osserviamo che le trasmutazioni nucleari potrebbero realizzare l'antico sogno degli alchimisti di trasformare il piombo in oro! Basta infatti usare le due seguenti reazioni:

per ottenere oro dal piombo! Peccato che realizzare questo procedimento sia molto più costoso dell'oro che potremmo ricavarne... Rassegnatevi, l'oro ci toccherà continuare a comprarlo a caro prezzo in gioielleria.

Da notare che il 22 novembre 2017 il professor Teruaki Enoto, astrofisico dell'Università di Kyoto, ha annunciato di aver finalmente dimostrato che una tempesta di fulmini nel cielo del Giappone ha generato dei positroni e l'isotopo radioattivo carbonio-14, confermando una previsione teorica del fisico ucraino Leonid Babich (1944-). Per riuscirci ha installato una serie di rivelatori di raggi gamma vicino alla centrale nucleare di Kashiwazaki-Kariwa, e ha sfruttato i temporali invernali in Giappone, famosi per i loro spettacolari fulmini. Il 6 febbraio 2017 i rivelatori hanno segnalato un evento insolito: un doppio fulmine scoccato poco lontano dalla costa ha generato un picco iniziale di un millisecondo di raggi gamma, con energie fino a 10 MeV, seguito da seguito da una luminescenza gamma di quasi mezzo secondo, e poi da altri raggi gamma con energia di 511 KeV, durati circa un minuto. Ma questa è la firma inconfondibile dei positroni che si annichilano con gli elettroni presenti nella materia circostante. I fulmini infatti possono accelerare alcuni elettroni a velocità prossime a quella della luce, e gli elettroni possono produrre raggi gamma; Babich suggerì che, quando uno di questi raggi gamma colpisce il nucleo di un atomo di azoto nell'atmosfera, la collisione estrae da essi un neutrone. Dopo un breve rimbalzo, la maggior parte dei neutroni viene assorbita da un altro nucleo di azoto. Questo aggiunge energia al nucleo ricevente e lo porta in uno stato eccitato. Quando il nucleo torna allo stato fondamentale, emette un altro raggio gamma, che contribuisce alla luminescenza gamma successiva. Nel frattempo, il nucleo di azoto che ha perso un neutrone decade nel minuto successivo trasmutandosi in carbonio-14 emettendo un positrone, che quasi subito annichila con un elettrone, producendo due fotoni da 511 keV. Secondo Enoto, buona parte del carbonio-14 dell'atmosfera proverrebbe dai fulmini, e non dai raggi cosmici.

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Esempio 1: Si consideri la reazione:

Qual è l'isotopo X prodotto?

Utilizziamo la conservazione del numero barionico. L'alluminio-27 contiene 13 protoni e 27 – 13 = 14 neutroni. Se si aggiunge un protone, abbiamo 14 protoni e 14 neutroni. Togliamo un neutrone che viene emesso e restano 14 protoni e 13 neutroni. Il numero di massa è sempre 27, ma il numero atomico è salito a 14: il nuclide prodotto è dunque il silicio-27, e la reazione scritta per esteso è:

Esempio 2: Scrivere per esteso la reazione nucleare così espressa in simboli:

dove ( γ , α n ) significa che la reazione produce sia una particella α che un neutrone.

In questo caso la reazione può essere scritta così, in due passaggi:

Esempio 3: Il torio-232 è un isotopo primordiale che, se è bombardato con neutroni, può dare vita all'uranio-233, che può essere utilizzato per alimentare i reattori nucleari. Poichè il torio-232 è relativamente abbondante nelle rocce, almeno dieci volte più dell'uranio, il Premio Nobel Carlo Rubbia ha proposto di estrarlo e bombardarlo con neutroni per ottenere materiale fissile. Vogliamo scrivere i decadimenti che danno origine all'uranio-233.

Cominciamo dal fatto che il torio-232, se assorbe un neutrone, subisce la seguente reazione:

Dà vita cioè ad un altro isotopo del torio. Il torio ha Z = 90; per dare vita a un isotopo dell'uranio, che ha Z = 92, deve aumentare il numero atomico di due unità, e il modo più semplice è attraverso due decadimenti beta meno:

Il torio-233 ha un tempo di dimezzamento di 22,3 mesi, mentre il protoattinio-233 ne ha uno di 27 giorni.

Esempio 4: Questo esercizio è stato assegnato alle Olimpiadi della Fisica 2007, nella gara di primo livello. Nella seguente reazione nucleare, che cosa rappresenta la lettera X?

Come si verifica facilmente, il nuclide a sinistra ha Z = 4 ed A = 7, quindi è costituito da 4 protoni e 3 neutroni. Invece il nuclide a destra ha Z = 3 ed A = 7, quindi è costituito da 3 protoni e 4 neutroni. Questa reazione nucleare conserva dunque il numero totale dei nucleoni, ma non il numero dei protoni e quello dei neutroni considerati singolarmente. Ciò può avvenire solo se un protone si è trasformato in un neutrone, e ciò accade se è avvenuto il contrario di un decadimento beta meno: il protone ha reagito con un elettrone e si è trasformato in un protone. L'esercizio lo trascura per semplicità, ma a secondo membro viene emesso anche un neutrino. Conclusione: la lettera X rappresenta un elettrone, e la reazione potrebbe essere scritta: