Contro il nucleare (2) - Un po’ di fisica atomica

Fondamentalmente una centrale nucleare è una macchina complicata che trasforma una forma d’energia, quella nucleare, in un’altra, l’energia elettrica, che è facile da trasportare dove serve. Nella sua struttura finale essa non è affatto diversa da altri tipi di centrale elettrica: lo scopo è quello di mettere in movimento rotatorio delle grosse turbine che, a loro volta, azionano dei generatori di corrente alternata. Ciò che cambia è il modo in cui si ottiene l’energia per far muovere le turbine. Se in una centrale termoelettrica si brucia del combustibile (carbone, petrolio, loro derivati) per trasformare acqua in vapore il quale muove le turbine, oppure in una centrale idroelettrica si sfrutta l’energia cinetica posseduta dall’acqua che cade da una certa quota, in una centrale nucleare una reazione di fissione nucleare controllata produce calore per scaldare dell’acqua (o un altro fluido vettore) che, sotto pressione oppure no, viene usata per muovere le turbine.

Per capire come funziona una centrale nucleare e che cosa la differenzia dagli altri tipi di centrali elettriche è perciò necessario concentrare l’attenzione su ciò che avviene a monte del sistema turbine-alternatori, cioè sul processo che genera il calore necessario a riscaldare il fluido vettore. Si è detto che si trasforma l’energia nucleare in calore (cioè energia termica). Ma che cos’è l’energia nucleare? Per poter rispondere a questa domanda bisogna innanzitutto parlare della struttura dell’atomo.

Gli atomi

Tutti i corpi della natura sono composti da atomi estremamente piccoli (il loro diametro è compreso tra i 10 e 50 miliardesimi di metro). La parola atomo deriva dal greco e significa “non divisibile”, infatti per lungo tempo si pensò che gli atomi fossero particelle talmente piccole da non poter essere più divise.

In realtà oggi sappiamo che gli atomi presentano una struttura interna, con una parte centrale, detta nucleo, di dimensioni da diecimila a centomila volte più piccole di quelle dell’intero atomo. Il nucleo è a sua volta costituito da particelle elementari subatomiche, chiamate neutroni e protoni. Attorno al nucleo c’è poi una nube di altre particelle in vorticoso movimento, dette elettroni. Esistono altri tipi di particelle, ma esse non sono importanti per il nostro discorso, per cui non ce ne occuperemo.

Gli atomi non sono tutti uguali: in natura, dall’idrogeno (il più semplice) all’uranio (il più complesso) esistono 92 tipi diversi di atomi. Ciascuno tipo di atomo corrisponde a un elemento chimico, caratterizzato da un nome (ad esempio Ferro) e da un simbolo (ad esempio Fe). L’unione in diverse combinazioni dei 92 tipi di atomi (cioè dei 92 elementi chimici) forma tutti i tipi di sostanze presenti in natura. Negli ultimi 80 anni l’uomo è poi riuscito a ottenere artificialmente altri tipi di atomi, originariamente non presenti sulla Terra, chiamati elementi transuranici, perché si collocano dopo l’uranio: il plutonio, ad esempio, è un elemento originariamente non presente in natura, ma è stato prodotto dall’uomo dopo lo sviluppo delle tecnologie nucleari.

I diversi tipi di atomi, cioè i diversi elementi chimici, sono differenti tra loro per come sono fatti al loro interno, per la loro struttura interna. Il diverso numero di particelle presenti nel nucleo determina i diversi tipi di atomi, ciascuno con le sue caratteristiche fisiche e chimiche. Ad esempio, solo gli atomi con 26 protoni nel nucleo, cioè gli atomi dell’elemento chimico chiamato ferro, conferiscono a questa sostanza particolari caratteristiche fisiche (colore argenteo, lucentezza, capacità di condurre il calore e l’elettricità, ecc.) e chimiche (facilità a combinarsi con l’ossigeno, ecc.) che altre sostanze non presentano. Altri atomi, che non hanno 26 protoni nel nucleo, non sono atomi di ferro e hanno caratteristiche diverse.

Le particelle elementari

Come abbiamo visto, il numero e il tipo di particelle elementari presenti nell’atomo determina le sue caratteristiche. Vediamole più da vicino.

Il protone

I protoni sono particelle elementari con carica elettrica positiva (+), con dimensioni circa 2000 volte più grandi di quelle degli elettroni. I protoni si trovano solo nel nucleo.

Il numero di protoni contenuti nel nucleo, cioè il numero di cariche positive, viene detto numero atomico, che viene indicato con il simbolo Z. Gli elementi chimici si distinguono fra di loro proprio per il diverso numero atomico. Così, tutti gli atomi con Z = 26 (26 protoni nel nucleo) sono atomi di ferro, tutti quelli con Z = 1 (1 protone nel nucleo) sono atomi di idrogeno, tutti quelli con Z = 92 (92 protoni nel nucleo) sono atomi di uranio, e così via.

Il neutrone

I neutroni sono particelle elementari prive di carica elettrica (=), con dimensioni circa uguali a quelle dei protoni, cioè circa 2000 volte più grandi di quelle degli elettroni. Anche i neutroni si trovano solo nel nucleo. Il numero di particelle (protoni + neutroni) che formano il nucleo di un atomo viene detto numero di massa, indicato con il simbolo A. Perciò:

A = Z + N

Numero di massa = Numero atomico + Numero dei neutroni

Esistono atomi che, pur avendo lo stesso numero atomico (e quindi appartengono alla stesso elemento chimico), presentano un diverso numero di neutroni, e quindi un diverso numero di massa. Essi sono gli isòtopi di un determinato elemento chimico. Nella maggior parte dei casi, gli elementi chimici presenti in natura sono miscele dei loro vari isotopi. Ad esempio, l’idrogeno (Z = 1, l’elemento più semplice), si trova in natura in tre forma diverse (isotopi dell’idrogeno):

Isotopi dell’idrogeno

Anche l’uranio (Z = 92) è presente in natura in tre forme diverse:

Isotopi dell’uranio

Come si vede, gli atomi che hanno lo stesso numero atomico (stesso Z) fanno parte dello stesso elemento chimico. Gli isotopi sono quegli atomi dello stesso elemento chimico che, pur avendo lo stesso numero atomico (stesso numero di protoni), hanno un diverso numero di neutroni, e quindi un diverso numero di massa (Z uguale, ma A diverso).

L'elettrone

Gli elettroni sono particelle elementari con carica elettrica negativa (-) e dimensioni circa 2000 volte più piccole rispetto alle altre due particelle. Ciò nonostante, la carica elettrica negativa di un elettrone è identica ma opposta a quella positiva di un protone: per bilanciare un protone basta un elettrone. Gli elettroni non si trovano nel nucleo, ma gravitano intorno ad esso secondo leggi particolari.

Di solito il numero di elettroni (cariche negative) contenuti in un atomo è uguale a quello dei protoni (cariche positive), per cui l'atomo è elettricamente neutro, cioè non presenta alcuna carica verso l'esterno. Normalmente, con i mezzi della chimica, è impossibile rimuovere dall'atomo le particelle contenute nel nucleo (protoni e neutroni), mentre gli elettroni (solo loro!) possono venire ceduti o acquistati. Un atomo che perde o acquista elettroni non è più elettricamente neutro e prende il nome di ione. Un atomo che acquista elettroni diventa negativo e prende il nome di ione negativo (più elettroni che protoni); un atomo che invece perde elettroni diventa positivo e prende il nome di ione positivo (più protoni che elettroni).

Gli elettroni non si dispongono a caso attorno al nucleo, ma occupano particolari zone dello spazio intorno ad esso dette gusci o strati o livelli energetici. Si conoscono anche sottostrati (o sottolivelli) all'interno degli strati.

Anche se per comodità gli strati e i sottostrati vengono rappresentati sul piano come le orbite dei pianeti intorno al Sole, in realtà essi sono figure geometriche a tre dimensioni (orbitali) che corrispondono alla rappresentazione nello spazio di particolari equazioni matematiche. Un orbitale non è una traiettoria in cui un elettrone può stare, ma è una "nuvoletta" di probabilità in cui si può trovare l'elettrone. Infatti non si può affermare con certezza dove un elettrone si trova in un certo istante né dove si troverà in un istante successivo. Si può solo conoscere la probabilità di trovare l'elettrone in un certo punto dello spazio. Tranne il più interno, che è di forma sferica, gli orbitali hanno forme tridimensionali complicate.

A seconda che un elettrone si trovi in uno strato (o in un suo sottostrato), esso possiede una determinata quantità di energia, tanto maggiore quanto è più lontano dal nucleo, tanto minore quanto è più vicino ad esso. Proprio per la loro diversa energia, gli strati sono anche chiamati livelli energetici.

È importante notare che ad ogni livello energetico (e agli elettroni in esso contenuti) corrisponde una determinata quantità di energia. Se ad es. ad un livello corrisponde 10 di energia (tralasciamo per semplicità l’unità di misura) e al successivo corrisponde 20 di energia, un elettrone che possiede 15 di energia potrà collocarsi sul livello più interno cedendo l'energia in più, oppure collocarsi su quello successivo, se acquista l'energia che gli manca per raggiungere 20: non possono esserci elettroni tra un livello e l'altro. Si dice che gli elettroni possiedono quantità discrete (o quantizzate) di energia.

Se un elettrone passa da un livello di energia ad un altro, possono verificarsi due casi:

· passaggio da un livello più esterno a uno più interno: l'elettrone cede l'energia in eccesso sotto forma di pacchetti di luce (fotoni);

· passaggio da un livello più interno a uno più esterno: può avvenire solo se l'elettrone riceve dall’esterno l'energia che gli manca sotto forma di pacchetti di luce (fotoni).

L'energia associata agli elettroni e alle altre particelle subatomiche si misura in elettronvolt (eV) e nei suoi multipli KeV (Kilo-eV, ossia 1.000 elettronvolt), MeV (mega-eV, cioè un milione di elettronvolt) e GeV (giga-eV, cioè un miliardo di elettronvolt). Un elettronvolt è un quantitativo molto piccolo di energia: 1 eV equivale a circa 1,6 decimiliardesimi di miliardesimo di joule (J), cioè dell’energia necessaria per sollevare di un metro una piccola mela (massa di circa un etto).