Atomo

Nel 1932 i due scienziati britannici John Cockcroft ed Ernest Walton furono i primi a impiegare particelle accelerate artificialmente per disintegrare nuclei atomici. Nel corso di un celebre esperimento, essi bombardarono un bersaglio di litio con un fascio di protoni accelerato da un moltiplicatore di tensione. I nuclei di litio 7 si spezzarono in due frammenti, ciascuno dei quali era un nucleo di elio 4. La reazione nucleare che ha luogo in questo processo può essere espressa per mezzo dell'equazione

7Li+ 1H = 4He + 4He

Il litio 7, l'idrogeno fondamentale e l'elio 4 hanno rispettivamente massa 7,018242 uma, 1,008137 uma e 4,003910 uma. La somma delle masse dei reagenti è uguale a 8.026379 uma, mentre quella dei prodotti vale 8,007820 uma: la reazione comporta quindi una perdita di massa pari a 0,018559 uma. Usando l'equazione E= mc² – espressa da Albert Einstein nell'ambito della formulazione della teoria della relatività ristretta – che esprime l'equivalenza tra massa ed energia, si conclude che 1 uma equivale a 931,3 MeV, e che la reazione nucleare indicata è accompagnata dal rilascio di 17,28 MeV. La quantità di massa persa si trasforma in energia cinetica dei nuclei di elio.

Nel 1905 Albert Einstein propose, come parte della teoria della relatività ristretta, la celebre equazione E=mc², che esprime l'equivalenza tra massa ed energia. Essa associa a ogni massa m una quantità d'energia E pari al prodotto della massa per il quadrato della velocità della luce c. A causa dell'enorme valore di c, una massa molto piccola 'equivale' a una quantità di energia molto grande. Poiché più del 99% della massa di un atomo è concentrata nel nucleo, le variazioni della massa nucleare che avvengono nell'ambito delle reazioni di fissione e fusione nucleare liberano enormi quantità di energia.

Nel 1934 il fisico Enrico Fermi realizzò la prima fissione nucleare controllata, tuttavia l'esatta natura del fenomeno non venne riconosciuta fino al 1939, quando gli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann annunciarono di aver prodotto la fissione di un nucleo di uranio mediante bombardamento con neutroni. La frammentazione del nucleo è accompagnata dall'emissione di altri neutroni, che possono alimentare la reazione nucleare dando luogo a un processo a catena; ciò accade, ad esempio, durante l'esplosione di una bomba atomica. La stessa reazione, se realizzata in condizioni controllate, può invece essere usata per produrre energia. Oggi i fisici si sforzano di sviluppare metodi per mantenere sotto controllo le reazioni di fusione nucleare, in modo da utilizzare questa potenziale enorme risorsa di energia per applicazioni pratiche.