1905: Albert Einstein pubblica la teoria della relatività ristretta, in cui compare la celebre formula . È l'inizio dell'era atomica. La formula afferma infatti:

• che un corpo possiede energia per il semplice fatto di avere massa,
• che la massa può essere convertita in energia, ed il fattore di conversione è la velocità della luce al quadrato, un numero enorme.

Tradotto, significa che da pochi grammi di materia è possibile estrarre, teoricamente, una immensa quantità di energia.
Einstein pensava che ci sarebbero voluti secoli per riuscire a ricavare energia dalla massa, ma si sbagliava pesantemente, perchè appena 30 anni più tardi Enrico Fermi riuscì ad ottenere la fissione di un nucleo di uranio, e nel 1945, grazie al progetto Manhattan, fu l'impossibile diventò realtà.
Un progetto segretissimo, a cui partecipavano le migliori menti del mondo occidentale, con lo scopo di costruire la prima arma nucleare della storia. Il 16 luglio 1945 esplode, nel deserto del New Mexico, la prima arma di distruzione di massa.

Principio di funzionamento

Per estrarre energia dalla materia è necessario innescare una reazione che faccia letteralmente sparire della massa, cioè la converta in energia. I materiali utilizzati per la reazione sono solitamente due: uranio e plutonio. Sono due elementi molto pesanti, il che significa che nei nuclei atomici sono presenti un gran numero di neutroni e protoni.
Se un neutrone ad alta energia viene sparato contro un atomo di questi elementi, ha una probabilità non nulla di rompere il nucleo, che nel processo di scissione (o più propriamente fissione), libera energia ed altri neutroni. Il nucleo di partenza dà origine a nuclei di elementi differenti, più leggeri.

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La massa persa si è trasformata in energia. Se nelle vicinanze del nucleo spaccato sono presenti altri atomi uguali, allora i neutroni rilasciati dal primo atomo possono colpire i nuclei degli altri atomi, che si spaccheranno, rilasceranno energia ed altri neutroni, e così via. Si origina una reazione a catena, che può portare ad effetti macroscopici differenti a seconda delle condizioni in cui si trova la massa di materiale fissile presente. Per ottenere un'esplosione in grado di fare danni deve rompersi un numero sufficientemente elevato di nuclei, una cosa non scontata, dato che i neutroni rilasciati potrebbero benissimo non incontrare nessun nucleo sul loro percorso.

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In questo caso la reazione a catena non si innescherebbe. Per risolvere il problema si possono seguire principalmente tre strade differenti:

• aumentare la quantità di materiale fissile, in modo da rende più probabile l'interazione neutrone-nucleo
  
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• fare in modo che i neutroni rimangano confinati all'interno della zona di detonazione, in modo che, rimbalzando sulle pareti dell'involucro che contiene il materiale fissile, abbiano per così dire "un altra chance" di colpire un nucleo.
  
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• aumentare la densità dei nuclei presenti
  
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  Solitamente queste soluzioni vengono adottate contemporaneamente.

Bisogna anche affrontare il problema della massa critica. Quest'ultima è la massa minima necessaria per far sì che la reazione a catena non si arresti dopo poco tempo. Per motivi di sicurezza, è necessario che la massa critica venga raggiunta solo pochi istanti prima dell'inizio della reazione a catena, e per fa ciò è possibile seguire due strade differenti.

Gun type bombs

In queste bombe il materiale fissile viene diviso in due blocchi separati, ciascuno di massa inferiore alla massa critica. Al momento della detonazione un esplosivo convenzionale spinge uno dei due blocchi contro l'altro, e si genera così una massa di materiale fissile superiore alla massa critica. Viene attivato contemporaneamente un dispositivo che emette neutroni e fa partire la reazione. Così facendo la massa critica viene raggiunta in un tempo brevissimo, si trova sottoposta ad alte pressioni e può quindi generare un'esplosione. Questo metodo è molto inefficiente, ed è stato utilizzato per la bomba che colpì Hiroshima.

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Bombe ad implosione

La tipologia più comune, perchè più efficiente. Le masse sub critiche di materiale fissile vengono disposte in gusci concentrici separati tra loro da strati di metallo. Sono presenti cariche convenzionali, anch'esse disposte a guscio attorno al materiale fissile. Quando le cariche esplodono generano un onda d'urto concentrica, comprimono il materiale fissile, che raggiunge così la massa critica e la pressione necessaria per la detonazione. A differenza delle bombe descritte in precedenza, queste non necessitano di una quantità elevata di materiale fissile. La bomba che colpì Nagasaki era di tipo implosivo, e conteneva 7 Kg di plutonio, contro i 63 Kg di uranio utilizzati per Hiroshima.

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Modalità di detonazione ed effetti

Dipendono ovviamente dallo scopo dell'esplosione, ma consideriamo le due esplosioni avvenute in Giappone nel 1945.
Affinchè il danno causato dall'esplosione sia massimo, la bomba deve esplodere ad una certa altezza dal suolo. Little Boy esplose sopra Hiroshima ad un'altezza di circa 580 metri. Immediatamente dopo la detonazione, la temperatura nel punto dell'esplosione raggiunse valori dell'ordine dei milioni di gradi, per poi abbassarsi molto rapidamente. In questa fase vengono emessi neutroni e raggi gamma, estremamente dannosi per gli organismi viventi. Negli istanti successivi si genera un'onda d'urto, che si propaga circolarmente alla velocità del suono, danneggiando tutti gli edifici nelle vicinanze. È proprio l'onda di pressione che causa la maggior parte dei danni. Vengono anche emessi raggi infrarossi (calore) che ustionano gli organismi viventi nel raggio di qualche centinaia di metri.
Si stima che le vittime del bombardamento di Hiroshima siamo quasi 200'000, di cui 80'000 uccise pochi istanti dopo l'esplosione, e le rimanenti per le ferite e i danni causati dalle radiazioni.

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Non solo fissione nucleare

Dopo la fine della guerra la ricerca sulle armi nucleari è continuata, e sono state messe a punto armi sempre più potenti. È doveroso citare la bomba all'idrogeno, o bomba H, che sfrutta lo stesso principio usato dalle stelle per la produzione di energia: fonde tra loro atomi di idrogeno. Invece che spaccare un atomo pesante, vengono uniti atomi leggeri a formare atomi più massicci. Si ottiene comunque una perdita di massa, che viene convertita in energia. La bomba H è molto più efficiente di quelle a fissione, tanto che la più potente bomba all'idrogeno mai realizzata esplose liberando un'energia 3000 volte maggiore di quella liberata ad Hiroshima.

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Oltre la guerra

L'uso civile dell'energia nucleare inizia nel 1951, con l'entrata in funzione del primo reattore nucleare, in cui viene prodotta una reazione controllata, non esplosiva, per produrre calore, scaldare l'acqua e generare vapore ad alta pressione, che viene poi utilizzato per far girare una turbina che produce elettricità.
Ad oggi si contano nel mondo quasi 450 centrali nucleari, che producono l'11% dell'energia elettrica consumata nel mondo. Attualmente la ricerca in campo nucleare si sta concentrando sui reattori di IV generazione, in grado di sfruttare per la produzione di energia anche il materiale fissile esausto, già utilizzato una prima volta. Il santo graal del settore è la fusione nucleare controllata. La bomba H utilizza, come già detto, lo stesso processo che avviene nelle stelle. Il problema è che, ad oggi, non è possibile ottenere questa reazione in modo controllato, ossia non esplosivo.
Per ottenere la fusione nucleare è necessario vincere la repulsione elettrostatica tra due nuclei caricati positivamente: per farlo sono necessarie temperature di milioni di gradi, e di pressioni elevatissime. Con l'utilizzo di speciali laser è possibile ottenere le temperature necessarie, ma poichè non esiste nessun materiale in grado di resistere a simili temperature, è necessario isolare il gas di idrogeno (o meglio, di plasma) dal mondo esterno. Per farlo si possono utilizzare dei campi magnetici estremamente intensi, che possono essere generati solo da magneti superconduttori raffreddati a pochi gradi sopra lo zero assoluto (-273 °C). Abbiamo quindi un plasma a milioni di gradi a pochi metri da magneti così freddi. Questa è solo una delle difficoltà tecniche da superare per ottenere la fusione nucleare controllata, che non sarà pronta per almeno i prossimi 50 anni, ammesso che a quel punto non si saranno trovate altre fonti di energia più convenienti.

Responsabilità

Il bombardamenti nucleari della seconda guerra mondiale causarono un numero immenso di morti, ma furono l'ultimo atto prima della fine della guerra. Famoso è il dibatto riguardo all'utilità di questo bombardamento: ha davvero messo fine alla guerra o il Giappone si sarebbe arreso lo stesso da lì a pochi mesi? Le vittime di un conflitto prolungato sarebbero state superiori a inferiori? Non lo sapremo mai, e personalmente credo sia poco interessante. Si dibatte della responsabilità degli scienziati coinvolti nel progetto Manhattan, che hanno messo a disposizione il loro genio per costruire un'arma di distruzione di massa. Hanno sbagliato, questi scienziati? Avrebbero dovuto rifiutarsi di collaborare? Ognuno darà la sua risposta, ma considerando la situazione dell'epoca, non credo sia possibile dare un giudizio morale alla questione, e nemmeno demonizzare le scoperte che hanno portato a una simile invenzione.
Perchè la ricerca di base non è fatta pensando necessariamente alle sue conseguenze.
Con le conoscenze sul funzionamento degli atomi possiamo costruire armi di distruzione di massa o acceleratori di particelle che salvano vite. Decide la scienza?

Fonti:

• Le Scienze n. 563, Luglio 2015. "Settant'anni con l'atomica"
• https://ee.stanford.edu/~hellman/sts152_02/handout02.pdf
• https://www.belfercenter.org/sites/default/files/legacy/files/HowNuclearBombsWork.pdf
• https://www.princeton.edu/~aglaser/lecture2007_weaponeffects.pdf
• https://www.historyextra.com/period/second-world-war/was-the-us-justified-in-dropping-atomic-bombs-on-hiroshima-and-nagasaki-during-the-second-world-war-you-debate/

_{Immagine CC0 Creative Commons, si ringrazia @mrazura per il logo ITASTEM.
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