Esempio di energia atomica

L'energia atomica è la capacità di compiere un lavoro, ottenuto dal decadimento degli atomi degli Elementi Radioattivi. Si ottiene grazie alla stimolazione di questa disintegrazione.

Energia nei processi nucleari

Le reazioni chimiche sono accompagnate da una variazione di energia, generalmente sotto forma di calore, che si stacca (reazioni esotermiche) o viene assorbito (reazioni endotermiche). Quando una sostanza si forma dagli elementi costitutivi, viene ceduto calore (Positive Heat of Formation), anche se in alcuni casi, come nell'ottenere Ozono dall'ossigeno atomico, ci sarebbe un rilascio di release caldo.

Se queste stesse idee vengono applicate alla (presunta) formazione di nuclei atomici da protoni e neutroni, è chiaro che l'energia verrà rilasciata in questa formazione, e data la natura dei collegamenti coinvolti, l'energia qui rilasciata sarà notevolmente maggiore, tanto che la perdita di massa che accompagnerà detta variazione energetica è già ponderabile. (Secondo il principio di Einstein, la variazione di Energia ΔE è equivalente alla variazione di massa Δm, per cui ΔE = Δm * C

², dove C è la velocità della luce).

Così, ad esempio, per l'elemento Litio Li-7, formato da 3 protoni e 4 neutroni, nella formazione di un grammo-atomo di nuclei di Litio di massa atomica 7, avremo:

3 protoni = 3 * 1.00756 g = 3.02268 g

4 neutroni = 4 * 1.00893 g = 4.03572 g

Il risultato della somma è 7,05840 g.

La massa atomica del Litio-7 ha un valore di 7,01645 g

Ne consegue, confrontando i valori, che la variazione di massa Δm = 0,04195 g, e sono pari a 9,02 * 10¹¹ calorie, calcolate con l'equazione di Einstein ΔE = Δm * C².

L'ipotetica reazione di formazione del nucleo da protoni e neutroni sprigiona un'enorme quantità di energia, milioni di volte superiore a quello delle reazioni chimiche ordinarie più esotermiche.

Ogni particella di nucleo o Nucleone (protone o neutrone), per essere parte di un qualsiasi nucleo, ha subito una perdita di massa, che non è costante, ma ha un valore massimo per gli elementi intermedi del sistema periodico dei numeri atomici da 20 a 51, poi decrescente lentamente all'aumentare del numero atomico.

La bomba atomica

L'uranio 235 e il plutonio 239 si dividono per bombardamento di neutroni ed emettono enormi quantità di energia, rilasciando nuovi neutroni.

La condizione affinché il processo di moltiplicazione abbia luogo è che più di un neutrone prodotto in ciascuna scissione sia in grado di produrre una nuova scissione o divisione.

Nel Pila di uranio, i neutroni prodotti sfuggono in parte attraverso la superficie del materiale e vengono in parte assorbiti da Uranio 238 per formare l'isotopo pesante Uranio 239, che decade successivamente in Nettunio e Plutonio.

Ma se si tratta di Uranio 235 o Plutonio 239 puro, la possibilità di perdita di neutroni attraverso la superficie dello stesso porta a conoscere il Dimensione critica necessario affinché la reazione a catena si sviluppi al suo interno.

Il Dimensione critica del campione è quello in cui la reazione a catena, scindendo l'atomo, si sviluppa quasi immediatamente.

Se il campione di materiale scindibile (divisibile per bombardamento di neutroni) ha un diametro inferiore al percorso medio che un neutrone veloce deve percorrere per produrre il processo di scissione, resta inteso che i neutroni prodotti nelle scissioni occasionali da neutroni in viaggio fuggiranno attraverso la superficie senza attaccare nessun altro nucleo.

Al contrario, se il campione è maggiore della dimensione critica, i neutroni prodotti occasionalmente, nel loro cammino verso attraverso di essa, avranno una grande probabilità di scindere nuovi nuclei, continuando così, ad un ritmo accelerato, il processo di divisione.

Se un campione è maggiore della Critical Size subirà un'esplosione istantanea, mentre se è più piccolo produrrà una lenta scissione che però dovrebbe essere evitata. Per questo, il materiale scindibile viene mantenuto in strati sottili all'interno di contenitori di Cadmio che vengono conservati all'interno di Acqua; neutroni incidenti occasionali saranno rallentati dall'acqua e quindi catturati dal cadmio prima che possano raggiungere il materiale protetto.

Se si mescolano rapidamente più pezzi di materiale scindibile, ciascuno un po' più piccolo della dimensione critica, si forma un'unica massa (bomba atomica) che esplode immediatamente. La velocità con cui devono incontrarsi i pezzi di materiale scindibile deve essere molto elevata per evitare che quando la reazione inizia La catena, essendo molto vicina, l'energia rilasciata disperde i pezzi di detto materiale prima di venire a contatto completamente.

Ci sono due pezzi di materiale scindibile che sono adeguatamente protetti con decontaminanti di neutroni e a pochi centimetri l'uno dall'altro. Al momento opportuno uno dei pezzi viene sparato sull'altro con la velocità di un proiettile veloce.

I dettagli della costruzione e del meccanismo della bomba atomica sperimentale esplosa nella prima mattinata del 16 luglio, 1945 nel deserto del New Mexico, erano guidati dal professor Oppenheimer, un fisico teorico dell'Università di California.

Le due bombe sganciate settimane dopo contro il Giappone furono costituite, il primo per l'Uranio 235 e il secondo per il Plutonio.

Sebbene l'energia rilasciata nella scissione di un nucleo di uranio sia calcolata a circa 200 milioni di elettronvolt, cioè circa 2x10¹⁰ Chilocalorie per chilogrammo di uranio scisso, rimane utilizzabile solo l'1-5%, che corrisponde a un energia esplosiva disponibile per chilogrammo di U-235 equivalente a quella di circa 300 tonnellate di trinitrotoluene (TNT, trilita)

All'onda esplosiva originata dall'esplosione della bomba atomica si aggiungono i terribili effetti incendiari prodotta dall'intensa radiazione gamma emessa, che determina come un Sole in miniatura, seppur brevemente durata.

Il devastazione causata da bombe isolate sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki sono la prova dell'enorme energia atomica che viene rilasciata nella disintegrazione atomica.

Si spera, tuttavia, che l'energia atomica possa essere applicata per usi pacifici in futuro, soprattutto nei casi in cui è desiderabile una grande concentrazione di energia in una piccola quantità di materiale.

Esempi di applicazioni per l'energia atomica

Generazione di energia termica

Generazione di energia meccanica

Generazione di energia elettrica

Scopi di guerra con la bomba atomica

Collisione di particelle subatomiche

Sperimentazione per nuove tecnologie

Nell'estrazione mineraria, per materiale esplosivo

Per la ricerca di nuovi materiali