Com’è fatta e come funziona una bomba atomica: la teoria

– Per convenzione il dolce, per convenzione l’amaro, per convenzione il caldo, per convenzione il freddo, per convenzione il colore, secondo verità gli atomi e il vuoto. –
Democrito

Incipit: ai tempi dell’università, quando conoscevo qualcuno che non sapeva nulla dei miei studi, non appena veniva fuori che facevo chimica molto spesso mi sentivo rispondere “ah ma quindi sai fare le bombe!”.

Vediamo se ho imparato qualcosa.

Incipit 2: questo articolo mi è venuto in mente, pensate che scontatezza, mentre cercavo di non addormentarmi davanti a Oppenheimer. Ops, l’ho detto.

Anzi, insisto: questo articolo arriva anche come risposta ad un film che ho trovato velleitario e vagamente superficiale, tanto dal punto di vista storico quanto da quello scientifico, con decine di personaggi leggendari (Bohr, Born, Fermi, Heisenberg, Feynman, Einstein, Teller e altri) introdotti e buttati sullo schermo quasi come comparse, senza spiegare o anche solo cercare di far capire quale sia stata la loro reale importanza e cosa possa aver significato andare a lezione da loro. Tralasciando gli aspetti tecnici cinematografici oggettivamente notevoli, non si parla di scienza, non si parla di storia, non si approfondisce il background storico/scientifico/geopolitico della faccenda e, nonostante questo, vedo gente strapparsi i capelli per un film del quale mi piacerebbe sapere cosa hanno colto e/o capito.

Quindi, visto che non lo fa Nolan, lo faccio io, iniziamo.

(Se vi siete offesi perché ho criticato il vostro nuovo film preferito mi spiace, spero comunque che continuerete a leggere l’articolo, potrebbe servire come compendio al film dandovi la possibilità di goderlo fino in fondo grazie alle nuove competenze acquisite.)

Disclaimer: scrivere questo articolo è stato molto difficile. Ho passato tantissimi anni della mia vita a studiare chimica e fisica ma prendere argomenti che personalmente mastico con una certa facilità e renderli commestibili anche a chi non è del settore non è stata una passeggiata. Se avete dubbi, curiosità o volete anche solo chiarimenti, potete scrivere nei commenti. Grazie a chi leggerà e apprezzerà quest’articolo.

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Una forza mostruosa, primordiale, divina. Un’energia immane nella quale si nasconde, forse, il segreto ultimo dell’universo, della creazione e dell’incredibile sequenza di eventi che ci hanno portato a vivere e sgommare su un piccolo sassolino perduto nell’immenso mare nero del tutto.

– la terra fotografata dalla sonda Cassini mentre orbitava attorno a Saturno, in primo piano –

L’hanno chiamata “interazione forte” per un paio di motivi. Uno, quello semplice, per distinguerla da altri tre tipi di interazioni che sono più deboli (interazione magnetica, interazione gravitazionale e interazione debole, quest’ultima responsabile del decadimento radioattivo degli atomi) e uno più intenso e meno scontato: l’interazione forte è forte davvero.  Forte come le due dita di Dio, forte come l’incredibile energia necessaria per schiacciare in uno spazio infinitesimale due particelle della stessa carica e che, di stare in quel piccolo spazio, proprio non ne vogliono sapere. Sembra una scemenza ma non lo è e, per capirla, dobbiamo fare un passo indietro.

A questo punto la voce fuori campo si dissolve, il sipario si apre ed esce il presentatore: “Buonasera a tutti, benvenuti in questo nuovo articolo di RollingSteel, dove divulgazione, piacere di lettura (e scrittura aggiungo io), canoscenza, curiosità e passione generano un mix frizzante ma accurato di leggerezza e freschezza. Stasera affronteremo un tema ostico e per nulla scontato ma che, ne siamo sicuri, entro la fine di questo articolo saprete maneggiare con più dimestichezza.

Signori, buona lettura signori”

ATTENZIONE: l’articolo sarà diviso in due parti pubblicate in due momenti distinti, una più teorica e una più pratica. Iniziamo con la prima.

Agli inizi del ‘900, grazie agli incredibili balzi in avanti che erano stati fatti nel giro di pochi anni, molti scienziati credevano che tutto quello che c’era da scoprire era già stato scoperto. Dalla chimica alla fisica, all’epoca numerosissime domande e osservazioni avevano trovato la loro spiegazione tanto che moltissime delle formulazioni nate all’inizio del diciannovesimo secolo sono tuttora saldamente al loro posto e riescono a spiegare in maniera efficace una larghissima parte dei fenomeni che si possono osservare, dal movimento dei pianeti alle mele che cascano dagli alberi, da alcune reazioni chimiche fino all’elettromagnetismo.

Tutte queste teorie, che possiamo raggruppare sotto un ombrello della nota marca “fisica classica™” funzionavano molto bene ma, qui casca l’asino, non erano in grado di spiegare in maniera esauriente il fenomeno della radiazione luminosa emessa dai corpi materiali quando sottoposti ad un riscaldamento. Passando dalla temperatura ambiente e via via salendo, vedremo che un corpo sottoposto ad un intenso riscaldamento diventerà per prima cosa rosso ma, se insistiamo e ci diamo del gas, man mano noteremo il suo colore diventare prima bianco e poi, infine, blu. In breve, quando la temperatura aumenta, la frequenza della radiazione emessa aumenta (e con lei la sua energia), passando da basse frequenze (luce rossa) a frequenze via via più alte (bianco prima – incandescenza deriva da “candescere”, diventare candidi -, blu dopo).

Questa evidenza sperimentale – che affronteremo nel futuro DI BRUTTO Volume 4 parlando di una delle biciclette 🙀​ più belle e famose di tutti i tempi, iscrivetevi alla Newsletter QUI per non perdervi il lancio – presto si trasformò in una discreta gatta da pelare quando applicando le teorie e le formulazioni della fisica classica™ note fino a quel momento divenne chiaro che nessuna di esse riusciva a rappresentarla in maniera efficace. Ci provarono in parecchi e alla fine, grazie all’intervento di Max Planck, si rese necessaria la nascita di una nuova fisica, alternativa a quella classica, che fosse capace di spiegare questi – e molti altri – fenomeni naturali. Così, nel 1900, grazie alla pubblicazione dell’articolo Ueber die Elementarquanta der Materie und der Elektricität nasceva la meccanica quantistica.

L’intuizione di Planck, oltre a seguire in maniera fedele le evidenze sperimentali fornendo ai produttori di lampadine dell’epoca un modo pratico e funzionale per misurare in senso assoluto l’intensità luminosa delle lampade che producevano grazie alla corretta teorizzazione del fenomeno dell’incandescenza, presto aprì il vaso di Pandora così che numerosi altri fenomeni fisici che fino a quel momento cavavano il sonno agli scienziati vennero presto sbrogliati. Fra questi ci fu l’effetto fotoelettrico, spiegato in maniera convincente da Einstein, e venne risolto una volta per tutte il mistero che ancora aleggiava circa la struttura dell’atomo, teorizzata in maniera esemplare da Niels Bohr.

(vedete che la prendo sempre larga ma alla fine arrivo dove voglio arrivare)

– quando in Oppenheimer si parla di andare a lezione da Bohr sono saltato sulla poltrona facendo volare via i pop corn. Non riesco nemmeno ad immaginare (e a nascondere la pelle d’oca) cosa possa significare andare a lezione e ascoltare dal vivo una delle menti più geniali e innovative di questo incredibile Secolo breve. Chissà, inoltre, se le decine di persone presenti in sala che presto si sarebbero sprecate in infiniti giri di parole per definire la magnificenza di un film (per me) velleitario, sanno anche solo chi fosse Bohr e quale fu il suo contributo al mondo che ci circonda o se, in realtà, si sono tutti accodati all’ennesimo filone di pensiero unico che li farà sentire importanti, intellettuali e rivoluzionari –

Secondo Bohr ogni atomo è composto da un sistema simile a quello planetario, con al centro un nucleo (composto da protoni e neutroni) attorno al quale orbitano, proprio come pianeti intorno al sole, gli elettroni. Ogni elemento in natura, dall’idrogeno al ferro, dallo stronzio al bario, dal boro all’einsteinio è fatto alla stessa identica maniera: un nucleo attorno al quale orbitano gli elettroni. A cambiare è il numero di particelle presente nel nucleo e il numero di elettroni che gli orbitano attorno: partendo dall’idrogeno e andando avanti nella tavola periodica, gli elettroni esterni e i protoni nel nucleo aumentano andando da 1 fino a 118 per l’Oganesson, ultimo elemento attualmente noto (artificiale), il cui nucleo è composto 118 protoni, 176 neutroni e attorno al quale orbitano 118 elettroni.

– c’è pure la maglietta, pensate che culo –

In un atomo neutro (=senza carica elettrica) il numero di elettroni e protoni è uguale (così che la carica + del nucleo è bilanciata dalla carica – degli elettroni) mentre il numero di neutroni varia e se per l’idrogeno “standard” questo numero è zero, ci sono elementi nei quali i neutroni sono tanti quanti i protoni e gli elettroni (esempio il carbonio 12, ¹²C) e altri, infine, nei quali invece i neutroni sono di più o anche di meno sempre di elettroni e protoni (se il numero di neutroni è molto più piccolo o molto più grande delle altre particelle, l’atomo diventa instabile; ne parliamo tra un secondo).

Nota importante numero 1: se il numero di protoni ed elettroni sono la “carta di identità” di un tale elemento (se ha 6 protoni e 6 elettroni è il carbonio, se ne ha 7 di entrambi è l’azoto), il numero di neutroni può variare anche all’interno dello stesso elemento. Attenzione ora: Elementi uguali con diverso numero di neutroni si chiamano isotopi. Il carbonio 14 (¹⁴C) è l’isotopo del carbonio “standard” ¹²C che al posto di 6 neutroni ne ha 8. Fin qui accontentiamoci, sul discorso ci torniamo dopo.

Ora la cosa si fa interessante: abbiamo visto che gli elettroni sono tutti a carica negativa quindi la loro presenza in un atomo viene controbilanciata dai protoni (pro = +, carica positiva) presenti all’interno del nucleo MA, se gli elettroni – che sono tutti a carica negativa e quindi si repellono fra di loro – hanno la possibilità di posizionarsi nello spazio attorno al nucleo in modo da minimizzare la loro reciproca repulsione, i protoni sono tutti schiacciati, appiccicati, ammassati uno contro l’altro in un incredibile assembramento divino che, come detto, chiamiamo nucleo. Chiude il discorso una cosa interessante: gli elettroni girano parecchio lontani dal nucleo, per fare un paragone, se il nucleo fosse grande come una mela, gli elettroni gli girerebbero ad una distanza di circa un chilometro quindi, qui la cosa si fa interessante, gli atomi sono per lo più VUOTI (e con vuoto intendo “il vuoto”) perché nell’enorme spazio che separa elettroni dal nucleo niente (nemmeno l’aria che, guarda un po’ è costituita da atomi) ci può entrare per mere questioni spaziali.

– facile e indolore. Il nucleo ha carica positiva, la nube elettronica (si parla di nube perché gli elettroni non sono fissi ma vorticano attorno al nucleo ad una velocità di circa ca. 2.200 km/s quindi, in linea teorica, sono ovunque, quasi come una “nebbia” elettronica attorno al nucleo) ha carica negativa –

Quindi, riassumendo, nei nuclei atomici sono presenti particelle di carica positiva che per motivi complessi che ora trascureremo vengono tenuti schiacciati uno contro l’altro andando di fatto contro la naturale tendenza che li vorrebbe allontanare. Vicini, appiccicati in uno spazio infinitesimale: proprio da qui nasce il concetto di “interazione forte”, anche detta “interazione nucleare” proprio perché è quella che tiene i nuclei insieme e che è circa 100 volte quello della forza elettromagnetica, circa 10⁵ maggiore della forza debole e 10³⁹ – dieci alla trentanove vuol dire questo: 1000000000000000000000000000000000000000 (dovrebbero essere 10 + 38 zeri, vi invito a contarli, potrei essermi sbagliato), ogni 9 zeri è un miliardo – volte quello della gravità: si chiama interazione forte e, per riuscire a tenere schiacciate particelle con la stessa carica in uno spazio tanto minuscolo come solo un nucleo atomico è, è MOLTO forte.

Quanto forte?

Così:

Bene, semplificando e introducendo il discorso con il botto (nel vero senso della parola), in una esplosione atomica l’immane forza che viene sprigionata e che è la caratteristica stessa di queste armi, è proprio l’interazione forte, scatenata da una opportuna reazione che “spacca” l’atomo liberando così l’energia nascosta all’interno del nucleo e che fino a pochi istanti prima teneva i protoni tutti belli vicini vicini. Per avere due numeri, considerando di poter liberare l’energia contenuta in una quantità considerevole di materia, l’energia che è possibile liberare da una reazione tale da spaccare l’atomo è riassumibile nella famosa equazione di Einstein E=mc² secondo la quale, molto “semplicemente” l’energia è massa e, viceversa, la massa, TUTTA la massa, si può convertire in energia. Per capire le dimensioni, la  c che vedete sopra (e che è al quadrato) è la velocità della luce, 300.000 km/s (analisi dimensionale -> kg x (m/s)² = kg m²/s² = Joule, unità di misura dell’energia).

Per avere due numeri comodi comodi, la fissione (la reazione di rottura del nucleo atomico per creare energia si chiama fissione) di un kg di Uranio (perché l’uranio? dopo ve lo dico) produce altrettanta energia quanto la combustione di quasi 3.000 tonnellate di carbone o 3.000.000 di litri di gasolio o, in alternativa, l’equivalente di 20 mila tonnellate di TNT.

Di nuovo:

A questo punto diventa evidente il nucleo (-.-) del problema: in che modo possiamo rompere – nel vero senso della parola – il nucleo di un atomo liberando l’enorme energia che lo tiene assieme? La risposta, benché all’epoca impiegò alcuni dei migliori fisici e tecnici del mondo oggi, come spesso accade con il famigerato “senno del poi”, è abbastanza semplice.

Se da un lato le particelle cariche (come protoni (+) ed elettroni (-) ) fanno molta fatica ad attraversare la materia a causa delle forze elettromagnetiche con cui interagiscono, lo stesso non si può dire dei neutroni, che non risentono (o risentono poco) della nube elettronica attraversandola senza problemi e dimostrandosi ottimi proiettili per colpire i nuclei atomici come palle da bowling con i birilli. Se però, come scoprirono Fermi e i suoi ragazzi di via Panisperna numero 90 nel 1934, il neutrone che viene sparato contro gli atomi viene rallentato al di sotto di una certa velocità aumentano le possibilità che questo venga “assorbito” dal nucleo. In questo modo, immaginiamo un atomo di idrogeno con

• numero 1 protoni nel nucleo
• numero 0 neutroni nel nucleo <- interessante, il nucleo di idrogeno non ha neutroni
• numero 1 elettroni che cazzeggia attorno

Bene, con a mente quanto scritto prima nella Nota importante 1, se a questo atomo di idrogeno facciamo assorbire un neutrone otteniamo un nuovo atomo con 1 neutrone (l’idrogeno “standard” non ne ha) ma con lo stesso numero di protoni ed elettroni. L’elemento risultante sarà quindi sempre idrogeno ma un suo isotopo che chiameremo idrogeno 2 (²H), anche detto deuterio. Per chiarezza, possiamo pensare che l’idrogeno è una 911 Carrera 2, il deuterio è una 911 GTS e il trizio è una 911 GT3-RS: sempre la stessa macchina, sempre una 911, ma tre versioni diverse con caratteristiche diverse.

– il primo è l’idrogeno normale, il secondo e il terzo sono i suoi isotopi, deuterio e trizio. Quest’ultimo è instabile e, quindi, radioattivo mentre il deuterio si usa nelle bombe ad idrogeno, ne parleremo a tempo debito –

Nota interessante 2: Isotopi con molti più (o molti meno) neutroni rispetto al numero di protoni tendono ad essere instabili. Questa instabilità si traduce, quando va bene, in radioattività, quando va male in nuclei così instabili che possono arrivare a rompersi. Altra cosa interessante è che attraverso opportuni bombardamenti di neutroni si possono “arricchire” elementi esistenti in natura (arricchirli in neutroni) per ottenere isotopi particolarmente instabili e quindi destinati a ciò che se ne vuole fare, reattori nucleari o bombe che siano.

– Uranio e suoi isotopi: il ²³⁸U è l’uranio “standard” presente in natura, gli altri sono per lo più sintetici ottenuti con opportuni bombardamenti –

Torniamo a noi:

Come detto il giochino di far assorbire ai nuclei atomici neutroni può portare a nuovi nuclei parecchio instabili. Un esempio è l’alluminio (peso atomico 27): se questo elemento cattura un neutrone, prima si trasforma in alluminio 28 (quindi un isotopo dell’alluminio) ma la successiva instabilità fa si che uno dei neutroni decada trasformandosi in un protone emettendo un elettrone (decadimento β^–) e, di conseguenza, visto che con un nuovo protone il numero atomico si alza di 1 passando da 13 a 14, otteniamo la trasformazione di quello che prima era alluminio (n. atomico 13) in silicio (n. atomico 14). In poche parole, bombardando di neutroni un tipo di atomo, lo si può trasformare in quello successivo (sulla tavola periodica) attraverso una reazione chiamata trasmutazione.

– la stessa cosa si può fare con il silicio trasmutandolo in fosforo –

Goduria massima a questo punto per gli alchimisti: attraverso opportune reazioni di decadimento α indotte artificialmente, potremmo partire dagli 82 protoni del piombo per eliminarne due trasformandolo così in mercurio. A questo punto un successivo decadimento β trasformerebbe un ulteriore protone in neutrone così da ottenere 79 protoni ed arrivare effettivamente all’oro! taac.

Torniamo seri, il giochino di far assorbire neutroni ad un elemento per ottenere quello successivo funziona sì ma solo fino ad un certo punto.

Il giochino iniziò a farsi interessante quando Fermi ebbe l’idea di bombardare di neutroni l’ultimo elemento noto in natura e presente in abbondanza sulla crosta terrestre con il fine, seguendo quanto visto finora, di ottenere nuovi elementi artificiali.

Quell’elemento era l’uranio.

Proprio l’uranio, numero atomico 92 (lo vedete nella tabella sopra, il 99,2% dell’uranio presente in natura è il suo isotopo 238U, contenente 92 protoni, 92 elettroni e ben 146 neutroni), è l’ultimo elemento che è relativamente facile trovare in natura mentre tutti quelli che vengono dopo, chiamati elementi transuranici, o non sono abbastanza stabili per essere presenti in quantità apprezzabili o sono proprio inesistenti e quindi creati artificialmente.

Quando Fermi iniziò a bombardare l’uranio ottenne come risultato degli elementi particolari che però, a differenza di quanto ci si aspettava, non si comportavano come prevedibile (il discorso è un po’ complesso, gli elementi di ogni colonna della tavola periodica hanno caratteristiche simili, quanto ottenuto bombardando l’uranio si sarebbe dovuto comportare come il renio prima e l’osmio dopo) ma Fermi si convinse comunque del successo della sua scoperta e depositò due nuovi elementi: Ausonio quello che avrebbe dovuto avere peso atomico 93 e Esperio quello successivo, entrambi due nomi antichi dell’Italia e vincendo così il nobel per la fisica nel 1938 per “l’identificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti“.

Tuttavia era tutto un grande errore. Gli elementi che Fermi aveva rinominato come l’Italia non si comportavano come sospettato semplicemente perché non erano ciò che ci si aspettava di ottenere: fu la tedesca Lise Meitner nel 1939 in collaborazione con Otto Hahn, con questa bella pubblicazione sul Nature, a spiegare una volta per tutte che bombardando l’uranio con neutroni si generava un nucleo così instabile che questo si spaccava, dando vita a due elementi più leggeri (tendenzialmente bario e kripto ma anche tecnezio e zirconio) e una grande quantità di energia. Tanta, tantissima energia.

Interessante: A Lise Meitner è stato dedicato il meitnerio, elemento sintetico che si ottiene bombardando il bismuto con nuclei pesanti di ferro. Fu la creazione di questo elemento a dimostrare che la fusione nucleare può portare a nuovi elementi.

Arriviamo quindi al dunque: Fermi fece un errore e, credendo di aver isolato due nuovi elementi in realtà aveva spaccato in due il nucleo dell’uranio. Esistono quindi alcuni elementi – e non sono tanti – che vengono definiti fissili che non solo possono spaccarsi ma possono dare via ad una reazione a catena dai risultati esplosivi: se infatti un neutrone colpisce un nucleo e questo spaccandosi libera:

• energia
• parecchi altri neutroni

succederà che questi ultimi colpiranno altri atomi i quali si spaccheranno liberando altra energia e altri neutroni i quali, a loro volta, non potranno che ingigantire e mandare fuori controllo la situazione: questa è quella che si chiama reazione a catena e che, se nelle centrali nucleari viene attentamente controllata in modo che non si verifichi

– a volte, non sempre (edit per i pignoli: a Chernobyl si fuse il nocciolo, grazie a dio non si arrivò alla reazione a catena) –

nelle bombe atomiche viene provocata (scopriremo nella parte 2 come) e sfruttata per generare morte, distruzione e gli sguardi bovini e contriti di Cyllian Murphy.

Riassumendo, in una bomba atomica “standard” un certa quantità di uranio 235 (isotopo molto instabile dell’uranio) viene bombardata di neutroni in modo da dare vita ad una reazione che ne spaccherà il nucleo, generando isotopi (spesso molto radioattivi) di bario e kripto più diversi altri neutroni che altro non faranno che alimentare altre rotture, altre liberazioni di neutroni e così via. Ogni atomo che si rompe libera immani quantità di energia (la famosa interazione forte) e, considerando che ogni passaggio della reazione a catena impiega circa 1/50 trilionesimo di secondo, capite anche voi quanto veloce, potente e inarrestabile sia una reazione di fissione nucleare a catena.

Infine, poi ne parleremo nella parte 2 ma voglio dire le cose come stanno, la bomba Little Boy di Hiroshima era una bomba “standard” ad uranio mentre Fat Man, quella che venne mollata su Nagasaki, era invece alimentata a plutonio, in particolare l’isotopo 239 del plutonio, elemento ottenibile attraverso un opportuno bombardamento di neutroni nei confronti dell’uranio evitandone però la rottura come faceva Fermi.

Nota finale: per radioattivita si intende la caratteristica che hanno alcuni elementi instabili – sia naturali che non – di emettere in maniera spontanea (o no) particelle ad elevata energia e, proprio per questo, molto dannose. Lo stesso Fermi morì a soli 53 anni per un tumore, probabilmente causato dai numerosi esperimenti a cui aveva partecipato senza le dovute protezioni.