Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Dall'atomo alle galassie"

 

Cosa si intende per “paradosso” ?. Si legge: “Proposizione formulata in apparente contraddizione con i principi elementari della logica, ma che all'esame critico si dimostra valida”.

Bene, in questo articolo, voglio rispondere a ciò che io considero un vero paradosso, che sembra comparire nei processi di reazione nucleare o, almeno, nelle descrizioni che vengono date in molti siti più o meno divulgativi. Descrizioni che forniscono risultati apparentemente contrastanti, senza che essi vengano adeguatamente analizzati per aiutare a comprendere ciò che realmente capita.

Il paradosso appare quando si parla di fusione e di fissione nucleare. Si leggono, spesso, queste descrizioni:

(1)    durante la fusione nucleare assistiamo all’UNIONE di due nuclei leggeri che ne producono uno più pesanti, LIBERANDO ENERGIA.

(2)    durante la fissione nucleare assistiamo alla SEPARAZIONE di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri LIBERANDO ENERGIA.

I due processi sembrano proprio l’uno il contrario dell’altro ed è difficile capire come questo possa succedere: ci si aspetterebbe che se in un caso si libera energia, nell’altro si dovrebbe assorbirla o viceversa, come schematizzato in Fig. 1.

Ricordiamo alcuni concetti fondamentali …

Fusione nucleare

In generale, si potrebbe pensare che conoscendo la massa delle particelle nucleari (neutrone, protone) sia possibile calcolare la massa del nucleo sommando semplicemente le masse delle particelle subatomiche che lo compongono. Beh… se così fosse noi non potremmo esistere. Ciò, infatti, porterebbe a costruire un nucleo più pesante sommando le singole masse dei costituenti o, meglio ancora, le masse dei nuclei più leggeri che si uniscono insieme per costruirlo. Ne seguirebbe che una stella potrebbe creare tutti gli elementi chimici fino al ferro senza produrre alcuna energia. E noi come vivremmo senza il Sole? E chi ci avrebbe fornito e ci fornirebbe l’energia necessaria all’evoluzione biologica?

Ciò che capita è qualcosa di ben diverso…

In modo molto superficiale, possiamo dire che se sommiamo le masse delle particelle che compongono un nucleo atomico assistiamo a una perdita di massa. Ossia, la massa del nucleo appena costruito pesa meno della somma delle masse delle particelle che lo compongono. Questa perdita di massa, seguendo la celebre formula di Einstein (E = mc²), si è trasformata in energia, proprio quella necessaria alla vita biologica, capace di fronteggiare la gravità che tenderebbe a schiacciare rapidamente le stelle fino ad arrivare a una singolarità fisica.

Quanto detto per la massa delle singole particelle vale anche per i nuclei, ossia due nuclei più leggeri si uniscono formandone uno più pesante che ha massa inferiore a quella dei nuclei che l’hanno formato.

Cosa si intende per nucleo più leggero? Solitamente un nucleo di minor massa, ad esempio l’idrogeno è più leggero dell’elio. Possiamo scrivere:

massa idrogeno + massa idrogeno  > massa elio

Cosa possiamo concludere? Beh... che la somma delle due masse di idrogeno produce un elemento più pesante che però pesa meno della loro somma.

Mamma mia, che confusione: un elemento più pesante che pesa meno… sembra una palese contraddizione. E invece ha un senso e come!  L’elio è sicuramente più pesante dell’idrogeno, tuttavia, se riesco a unire due nuclei di idrogeno, la loro somma, che è il nucleo di elio, pesa meno della somma di due nuclei di idrogeno. Il nocciolo della questione sta tutto nelle parole “se riesco ad unire”. In altre parole, se un certo processo si verifica (fusione) esso costa una certa perdita di massa che si trasforma in energia.

Fissione nucleare

Consideriamo, adesso, la fissione. Ho un certo nucleo pesante, il quale decide, per vari motivi, di dividersi in due nuclei più leggeri. Per quanto detto prima, dovrei riguadagnare la massa che ho perduto nella fusione. In altre parole, da un nucleo più pesante dovrei ottenere due nuclei più leggeri, la cui somma pesi di più del nucleo più pesante. E invece no! La somma dei due nuclei più leggeri pesa di meno del nucleo pesante. In parole povere, anche la fissione comporta una perdita di massa e quindi la liberazione di energia.

Introduciamo una bilancia e la Fig. 2 illustra bene ciò che capita …

Sia la fusione che la fissione costruiscono uno (fusione) o due nuclei (fissione) tali che la loro massa sia inferiore alla massa dei nuclei (fusione) o del nucleo (fissione) di partenza. In altre parole, poco importa, a questo livello, che il nucleo prodotto sia più pesante (fusione) o che i nuclei prodotti siano più leggeri (fissione). L’importante è che il prodotto finale pesi di meno, in modo che la massa mancante possa, in entrambi i casi, dar luogo a un rilascio di energia.

Paradosso risolto? Sì e no, nel senso che abbiamo eliminato l’apparente contraddizione dei due processi, ma non abbiamo detto perché due elementi leggeri possono essere sia più pesanti che più leggeri del nucleo pesante.

E’ necessario andare più a fondo, ricordando che parlando di unione e separazione NON parliamo degli stessi nuclei, ma di nuclei completamente diversi: ad esempio idrogeno ed elio (per la fusione) e uranio (per la fissione). Se vogliamo capire il perché dell’intera faccenda è bene analizzare in dettaglio la grande e utilissima lotta che esiste tra interazione nucleare forte e interazione elettrostatica. Non solo, però, dobbiamo anche parlare di energia di legame nucleare e di stabilità di un nucleo. Capiremo come la lotta, a cui partecipano apparentemente solo i protoni, sia accompagnata e gestita anche dalla presenza dei neutroni, capaci di far pendere la nostra bilancia in un senso o nell’altro.

Considerate questo articolo e quello (o quelli) che seguiranno come un passo in avanti, sempre a livello estremamente divulgativo, della bellissima narrazione più generale fatta dai papallicoli.