1.

Introduzione

Reazione nucleare Processo di trasformazione di uno o più nuclei atomici detti reagenti, in uno o più prodotti. Quando la trasformazione avviene spontaneamente, la reazione è considerata un fenomeno di radioattività; se invece è indotta dall’urto con altre particelle o dall’assorbimento di radiazione gamma ad alta energia, è considerata una reazione nucleare vera e propria. La prima reazione nucleare fu realizzata nel 1919 da Ernest Rutherford: bombardando nuclei di azoto con particelle alfa, ottenne ossigeno e protoni.

2.

Reazioni esoenergetiche ed endoenergetiche

Le energie in gioco nelle reazioni nucleari sono di gran lunga maggiori di quelle coinvolte nelle reazioni chimiche, perché le forze che tengono uniti i nucleoni nel nucleo sono molto più intense delle forze che tengono uniti gli elettroni nell’atomo: nel nucleo, l’ordine di grandezza dell’energia è del milione di elettronvolt (MeV), nell’atomo, soltanto dell’elettronvolt (eV).

Una reazione nucleare può liberare energia, e dirsi esoenergetica, o assorbire energia, e dirsi endoenergetica. Per valutare se una reazione sia esoenergetica o endoenergetica, è necessario effettuare il bilancio delle masse: quando la somma totale delle masse dei reagenti è superiore a quella dei prodotti, nella reazione vi è rilascio di energia, e la reazione è esoenergetica; nel caso contrario, è necessario che i reagenti posseggano sufficiente energia per formare i nuclei prodotti, e la reazione è endoenergetica. Il parametro che permette di definire se una reazione è esoenergetica o endoenergetica è il calore di reazione, normalmente indicato con la lettera Q:

Q = (M_f + m_f – M_i – m_i)c²

dove la quantità tra parentesi rappresenta la differenza tra le masse dei reagenti e quelle dei prodotti, e c è la velocità della luce. Se Q è maggiore di zero, la reazione è esoenergetica, se è minore di zero, è endoenergetica.

Il fatto che la massa dei reagenti sia diversa da quella dei prodotti non significa che nelle reazioni nucleari non valga il principio di conservazione della massa, ma che, come espresso dalla celebre equazione di Einstein, E = mc², la massa non è altro che una forma di energia e che, come tale, si può trasformare in energia pura. È proprio questa energia, detta nucleare in quanto ricavata da processi nucleari, che può essere sfruttata per la produzione di energia elettrica.

3.

Nomenclatura e simboli

Il nucleo di un elemento chimico è caratterizzato da Z protoni e da un numero variabile di neutroni (abitualmente indicato con N): la loro somma è pari al numero di massa A. In forma simbolica, il nucleo di un elemento chimico X viene indicato come _Z^AX , mentre neutrone, protone, elettrone e positrone sono indicati rispettivamente come ₀¹n, ₁¹p, _-1⁰e, ₁⁰e.

4.

Particelle incidenti e prodotti della reazione

Le reazioni nucleari vengono prodotte dall’urto del nucleo con particelle energetiche quali protoni, neutroni, deutoni, particelle a, elettroni e fotoni g. A seconda del tipo di particella proiettile, il processo di reazione assume caratteristiche diverse. In particolare, se la particella è portatrice di carica positiva, come nel caso del protone, del positrone o della particella alfa, deve avere un’energia cinetica molto alta per poter superare la barriera di repulsione coulombiana, vale a dire la forza di repulsione che si sviluppa tra la carica positiva del nucleo e la carica positiva della particella.

L’assorbimento di un protone da parte di un nucleo può condurre all’emissione di un raggio g o di un neutrone, rispettivamente per energie crescenti della particella incidente. Se il protone ha sufficiente energia, può condurre all’emissione di particelle a. Le reazioni nucleari indotte da protoni con rilascio di neutroni sono di tipo endotermico.

Le reazioni indotte da neutroni sono particolarmente importanti, poiché utilizzate nei processi di produzione di energia nucleare. Un neutrone può dare luogo all’emissione dal nucleo di protoni, particelle a, raggi g o neutroni. Una tipica reazione indotta da neutroni è la fissione del nucleo di ²³⁵U nei nuclei di cesio 140 e rubidio 93,

con emissione di tre neutroni e il rilascio di 200 MeV (milioni di elettronvolt) di energia.

Le reazioni indotte da deutoni (nuclei di deuterio, formati da un neutrone e un protone) producono generalmente l’emissione di uno o più neutroni, a seconda dell’energia del nucleo incidente. Ad esempio, bombardando il deuterio con deutoni si ottiene le formazione di trizio, secondo la reazione:

Le reazioni indotte da deutoni sono quasi tutte esoenergetiche e producono nuclei residui radioattivi.

Elettroni e raggi g non provocano facilmente reazioni nucleari, perché interagiscono preferibilmente con gli elettroni degli orbitali atomici circostanti il nucleo. Tuttavia, se i raggi g sono molto energetici, si producono reazioni chiamate di fotodisintegrazione, che danno origine all’emissione di uno o più neutroni o protoni, e a successive reazioni fino alla stabilizzazione del nucleo.

5.

La sezione d’urto

La probabilità che avvenga una reazione nucleare si esprime in termini di un parametro che prende il nome di sezione d’urto. Detto N il numero di nuclei della specie reagente, M il numero di reazioni osservate e P il numero di particelle incidenti, la sezione d’urto σ è definita come:

σ = (M/P)N

Tale parametro rappresenta in sostanza la sezione geometrica ideale che la particella proiettile dovrebbe avere per produrre l’urto con la frequenza osservata sperimentalmente. Ha le dimensioni di una superficie e si misura normalmente in barn: 1 barn = 10^–28 m². In genere, la sezione d’urto varia al variare dell’energia cinetica delle particelle: la probabilità che un proiettile urti il bersaglio dipende cioè dalla velocità del proiettile.