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fissióne

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Definizione

sf. [sec. XVI; dal latino fissío-ōnis, da findĕre, spaccare]. In fisica nucleare, esplosione di un nucleo atomico, con produzione di frammenti costituiti da altri nuclei (2 o 3) più leggeri del nucleo di partenza e di neutroni, unitamente a liberazione di energia. L'energia prodotta nella fissione è in massima parte asportata dai frammenti sotto forma di energia cinetica. Un evento di fissione è inoltre accompagnato da produzione di raggi γ e β. La fissione di un nucleo può essere spontanea oppure provocata dall'urto di particelle oppure dovuta all'effetto dell'assorbimento di radiazione γ. I casi più noti di fissione sono quelli dell'U235 e dell'U238 prodotte dall'urto con neutroni.

La fissione dell'uranio

La fissione nucleare dell'uraniofu realizzata per la prima volta, nel 1934, da E. Fermi durante i suoi studi sistematici per produrre elementi pesanti, non esistenti sulla Terra, mediante interazione di quelli noti con neutroni: quando giunse all'interazione dell'uranio (Z=92), con neutroni di varia energia, in alcuni casi ottenne un nuovo nucleo (il nettunio, con numero atomico Z=93), in altri risultati di difficile interpretazione. Nel 1939, O. Hahn e F. Strassmann interpretarono tali risultati nel senso che potevano verificarsi reazioni uranio-neutrone in cui il nucleo di uranio, dopo aver catturato il neutrone, si spezza in frammenti più piccoli costituiti da nuclei più leggeri, come il bario e il cripto. In seguito a nuovi e più accurati esperimenti, L. Meitner e O. Frisch, conosciuti i risultati, interpretarono la frattura del nucleo di uranio nel quadro del cosiddetto modello nucleare della goccia liquida, proposto da N. Bohr, e coniarono per il fenomeno il termine fissione. In seguito, accurati lavori condotti a Berkeley, i cui risultati furono interpretati da Bohr, mostrarono che la fissione dell'isotopo U235 è la più favorevole ai fini dell'utilizzazione pratica della fissione; infatti essa avviene con neutroni con energia cinetica soltanto dell'ordine di grandezza di quella di agitazione termica molecolare e senza che vi sia competizione con altri tipi di reazione con neutroni, come avviene invece con l'U238. Per questo, dal punto di vista pratico, è molto importante la percentuale di U235 presente nella massa fissile. La fissione spontanea dell'U238 fu scoperta nel 1940: tutti i transuranici, come l'americio, il curio, il berkelio, ecc., e in genere i nuclei con peso atomico vicino a 250, si fissionano spontaneamente. Il periodo della fissione spontanea dell'U238 è di 1016 anni, il suo periodo di radioattività α è 10 milioni di volte più breve.

Il meccanismo della fissione nucleare

Se si considerano i nuclei atomici e la loro composizione in neutroni e protoni si osserva che i nuclei leggeri hanno circa tanti neutroni quanti protoni, ma all'aumentare del numero atomico il numero dei neutroni cresce più rapidamente fino a prevalere nettamente su quello dei protoni. La ragione di questo fatto sta nella necessità di compensare con le forze nucleari attrattive la repulsione coulombiana fra i protoni carichi positivamente. La fissione di un nucleo pesante porta a frammenti, cioè nuclei di atomi più leggeri, ma con un eccesso di neutroni rispetto a quelli esistenti in natura; nel momento stesso della loro produzione essi liberano neutroni, con un processo analogo a quello dell'evaporazione. In seguito, i frammenti che ancora presentano troppi neutroni li trasformano in protoni emettendo elettroni. I neutroni prodotti per evaporazione (nella fissione di U235 se ne producono un massimo di 3) sono disponibili per produrre altre fissioni dando così luogo alla cosiddetta reazione a catena. Questa circostanza è di basilare importanza, perché l'energia liberata in una sola fissione è molto grande solo nella scala atomica; ma se la reazione di fissione si propaga a catena in tutta la massa fissile a disposizione a opera dei neutroni liberati in ogni singola reazione, l'energia prodotta diviene enorme nella scala umana. L'energia prodotta in reazioni non controllate è alla base delle armi nucleari. Controllando invece tali reazioni, l'energia diviene disponibile per usi pacifici (reattore nucleare). Per quanto riguarda il processo di fissione, nell'ambito del modello nucleare della goccia liquida, il nucleo è paragonato a una goccia in cui i nucleoni hanno lo stesso ruolo delle molecole in un liquido. La particella incidente fornisce al nucleo energia che ne deforma la struttura, che è sferica in un nucleo stabile, e determina, se l'energia è sufficiente, le condizioni perché le oscillazioni della goccia nucleare portino alla frattura del nucleo. I frammenti di fissione hanno una massa totale complessiva inferiore a quella del nucleo che si è fissionato. Il difetto di massa si trasforma in energia cinetica dei frammenti. Oltre al caso dell'uranio, i neutroni provocano la fissione del plutonio, del nettunio, del protoattinio e del torio. La fissione può essere prodotta da particelle diverse dai neutroni, come particelle α, protoni e deuteroni. I neutroni restano però i proiettili più convenienti per produrre fissione in quanto non portano carica elettrica. Sono state osservate fissioni prodotte anche da elettroni e mesoni, ma sono molto rare e richiedono particelle altamente energetiche. Quando la fissione è prodotta da un raggio γ si parla di fotofissione.

Bibliografia

G. Castelfranchi, Fisica sperimentale ed applicata, vol. II, Milano, 1954; I. Kaplan, Nuclear Physics, Londra, 1963; E. Segré, Nuclei e particelle, Bologna, 1966; E. Amaldi, G. Amaldi, Elementi di fisica per le scuole Medie Superiori, vol. II, Bologna, 1970; A. Wanda, Introduzione alla fisica nucleare, Torino, 1990.