Come Dividere un Atomo

Co-redatto da Bess Ruff, MA

Gli atomi possono perdere o guadagnare energia quando un elettrone si sposta da un orbitale più esterno a uno più interno attorno al nucleo. Dividere il nucleo di atomo rilascia però una quantità di energia decisamente maggiore rispetto a quella generata dallo spostamento dell'elettrone su un orbitale inferiore. La divisione dell'atomo è definita fissione nucleare e una serie di fissioni consecutive è chiamata reazione a catena. Ovviamente, non è un esperimento che si può fare a casa; la fissione nucleare è possibile solo in laboratorio o in una centrale nucleare, entrambi equipaggiati in maniera appropriata.

Metodo 1

Metodo 1 di 3:

Bombardare gli Isotopi Radioattivi

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Scegli l'isotopo giusto. Alcuni elementi o isotopi degli elementi sono soggetti al decadimento radioattivo; tuttavia, non tutti gli isotopi sono uguali quando inizia il processo di fissione. L'isotopo di uranio più comune ha un peso atomico di 238, è composto da 92 protoni e 146 neutroni, ma il suo nucleo tende ad assorbire neutroni senza suddividersi in nuclei più piccoli di altri elementi. L'isotopo di uranio con tre neutroni in meno, ²³⁵U, è molto più suscettibile alla fissione rispetto a ²³⁸U; questo tipo di isotopo è detto fissile.^{[1]
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- Quando l'uranio si divide (viene sottoposto a fissione), rilascia tre neutroni che entrano in collisione con altri atomi di uranio, creando una reazione a catena.
- Alcuni isotopi reagiscono troppo rapidamente, con una velocità tale da impedire il mantenimento di una fissione a catena continua. In questo caso, si parla di fissione spontanea; l'isotopo di plutonio ²⁴⁰Pu appartiene a questa categoria, diversamente da ²³⁹Pu che ha una velocità di fissione inferiore.
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Procurati una quantità di isotopo sufficiente ad assicurarti che la reazione a catena continui anche dopo che il primo atomo si è diviso. Questo significa possedere un quantitativo minimo di isotopo fissile per rendere la reazione sostenibile, cioè una massa critica. Raggiungere la massa critica richiede un quantitativo sufficiente di materiale di base dell'isotopo per incrementare le probabilità di ottenere una fissione.^{[2]
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Metti in collisione due nuclei dello stesso isotopo. Dato che non è facile ottenere delle particelle subatomiche libere, è spesso necessario spingerle forzatamente al di fuori dell'atomo a cui appartengono. Un metodo consiste nel far scontrare fra loro gli atomi di un dato isotopo.^{[3]
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- Questa è la tecnica usata per creare la bomba atomica con ²³⁵U che è stata lanciata su Hiroshima. Un'arma simile a una pistola ha fatto scontrare gli atomi di ²³⁵U con quelli di un altro pezzo di ²³⁵U a una velocità sufficiente per permettere ai neutroni rilasciati di colpire spontaneamente altri nuclei degli atomi dello stesso isotopo e dividerli. Di conseguenza, i neutroni liberati dalla divisione degli atomi hanno colpito e diviso altri atomi di ²³⁵U e così via.
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Bombarda i nuclei di un isotopo fissile con particelle subatomiche. Una singola particella può colpire un atomo di ²³⁵U, dividendolo in due atomi di elementi diversi e rilasciando tre neutroni. Queste particelle possono provenire da una fonte controllata (come una pistola a neutroni) oppure si generano dalla collisione fra i nuclei. Le particelle subatomiche generalmente utilizzate sono tre:^{[4]
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- Protoni: sono particelle con una massa e una carica positiva; il numero dei protoni di un atomo determina di quale elemento si tratta.
- Neutroni: hanno una massa, ma nessuna carica elettrica.
- Particelle alfa: si tratta dei nuclei degli atomi di elio privati degli elettroni che vi orbitano attorno; sono composti da due neutroni e due protoni.
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Metodo 2

Metodo 2 di 3:

Comprimere i Materiali Radioattivi

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Procurati una massa critica di un isotopo radioattivo. Hai bisogno di una quantità sufficiente di materia grezza per assicurarti che la reazione a catena continui. Ricorda che in un dato campione di un elemento (il plutonio ad esempio) sono presenti più di un isotopo. Accertati di aver calcolato correttamente la quantità utile di isotopo fissile contenuto nel campione.^{[5]
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Arricchisci l'isotopo. A volte, è necessario aumentare la quantità relativa di un isotopo fissile presente nel campione per assicurarsi che si inneschi una reazione di fissione sostenibile. Questo procedimento viene definito arricchimento e ci sono diversi metodi per farlo. Eccone alcuni:^{[6]
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- Diffusione gassosa;
- Centrifuga;
- Separazione isotopica elettromagnetica;
- Diffusione termica (liquida o gassosa).
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Comprimi strettamente il campione per avvicinare gli atomi fissili fra loro. A volte, gli atomi decadono spontaneamente troppo in fretta per essere bombardarsi gli uni con gli altri; in questo caso, comprimendoli con forza si aumentano le probabilità che le particelle subatomiche rilasciate entrino in collisione con altri atomi. Si può ottenere tale risultato usando degli esplosivi per avvicinare forzatamente gli atomi di ²³⁹Pu.^{[7]
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- Questo è il metodo utilizzato per creare la bomba con ²³⁹Pu sganciata su Nagasaki. Degli esplosivi convenzionali cingevano la massa di plutonio e, quando sono stati fatti detonare, l'hanno compressa portando gli atomi di ²³⁹Pu tanto vicini fra loro che i neutroni liberati hanno continuato a bombardarli e a dividerli.
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Metodo 3

Metodo 3 di 3:

Dividere gli Atomi con il Laser

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Racchiudi i materiali radioattivi nel metallo. Metti il campione in un rivestimento d'oro e utilizza un sostegno di rame per fissare il tutto al suo posto. Ricorda che sia il materiale fissile sia i metalli diventano radioattivi quando la fissione ha luogo.^{[8]
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Eccita gli elettroni con la luce laser. Grazie allo sviluppo dei laser con potenza dell'ordine dei petawatt (10¹⁵ watt), è ora possibile dividere gli atomi utilizzando la luce laser per eccitare gli elettroni del metallo che racchiude la sostanza radioattiva. In alternativa, puoi usare una luce laser da 50 terawatt (5 x 10¹² watt) per ottenere lo stesso risultato.^{[9]
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Ferma il laser. Quando gli elettroni tornano ai propri orbitali, rilasciano una radiazione gamma ad alta energia che penetra nei nuclei atomici dell'oro e del rame. In questa maniera, i nuclei rilasciano i neutroni che entrano a loro volta in collisione con gli atomi dell'uranio presente nel rivestimento metallico e innescando in questo modo la reazione a catena.^{[10]
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Consigli

Questa tecnica può essere eseguita solo nei laboratori di fisica o nelle centrali nucleari.

Avvertenze

Tale procedura potrebbe innescare un'esplosione su larga scala.
Come sempre quando usi qualunque tipo di attrezzatura, rispetta le necessarie procedure di sicurezza e non fare nulla che sembri pericoloso.
Le radiazioni sono mortali, indossa i dispositivi di protezione individuale e mantieni una distanza di sicurezza dal materiale radioattivo.
Tentare di eseguire una fissione nucleare fuori dalle sedi preposte è illegale.