Terzo articolo dedicato ai geni indiscussi del 900, nel quale vedremo da dove è nata l’energia che ha cambiato il mondo, il nucleare, e come Fermi fu un protagonista chiave di questa scoperta.

♦ Di Gennaro Angelucci

“Cambiò il mondo. Cambiò il nemico. La morte ebbe facce nuove che non conoscevamo ancora. Non si vedeva, la morte, non si toccava, non aveva odore. Mancavano persino le parole, per raccontare della gente che aveva paura dell’acqua, della terra, dei fiori, degli alberi. Perché niente di simile era mai accaduto, prima. Le cose erano le stesse – i fiori avevano la solita forma, il solito odore – eppure potevano uccidere. Il mondo era il solito e non era più lo stesso.”

Queste furono le parole di Svetlana Aleksievič che descrivono cosa è successo in quell’aprile del 1986.

Da poco è ricorso il trentatreesimo anniversario del disastro nucleare più grave accaduto ad una centrale civile per la produzione di energia. Nel disastro una nuvola di materiale radioattivo fuoriuscì da uno dei reattori dell’impianto ricadendo al suolo e contaminando una vasta area intorno alla centrale. Le radiazioni inoltre trasportate dai venti giunsero in molte parti del vecchio continente, compresa l’Italia. I morti immediati, ed indiretti sono stati moltissimi ed ancora oggi le conseguenze di quel disastro continuano a mietere molte vite.

Ma facciamo un passo indietro e torniamo ai primi decenni del secolo scorso.

Il momento d’oro della fisica: Fermi ed i ragazzi di via Panisperna

I primi decenni del secolo scorso, furono per la fisica rivoluzionari. Il primo ad intuire la possibilità di ricavare energia dal nucleo dell’atomo fu Albert Einstein, con la sua teoria della relatività (già descritta in un precedente articolo) nella quale arrivando alla famosa equazione E=mc2, equipara la massa all’energia.

Ma il ruolo di primaria importanza, nella realizzazione della prima pila atomica, è ricoperto dalle brillanti intuizioni e ricerche fatte da uno dei più grandi fisici della storia ed il più grande esperto di neutroni al mondo. Non tutti lo sanno o forse hanno idee confuse su tale argomento ma è bene ricordare il ruolo fondamentale di Enrico Fermi e dei ragazzi di via Panisperna.

Enrico Fermi e i ragazzi di via Panisperna.

In quegli anni Enrico Fermi insieme a Franco Rasetti, Edoardo Amaldi, Emilio Segrè, Bruno Pontecorvo, il chimico Oscar D’agostino ed in ultimo il suo collaboratore più brillante Ettore Majorana, su interessamento di Orso Mario Corbino costituirono il gruppo di ricerca ubicato nella sede di via Panisperna.

Corbino, insieme con Fermi, voleva trasformare l’istituto di fisica di via Panisperna in un centro di ricerca di eccellenza a livello mondiale. I ragazzi intrapresero studi di fisica nucleare e gli strumenti utilizzati, furono costruiti artigianalmente da loro stessi; ad enfatizzare come sempre l’arte dell’arrangiarsi, tutta italiana che ci contraddistingue dagli altri popoli.

Quindi da un lato Fermi continuava i suoi studi teorici; più volte andò in Germania a stretto contatto con i fondatori della meccanica quantistica, senza essere entusiasmato dalle questioni filosofiche che essa sollevava. L’inclinazione di Fermi verso questioni concrete, verificabili direttamente con un esperimento era da ricercare, almeno in parte, nel suo desiderio di verificare la validità del suo lavoro nella realtà, che è un giudice infallibile.

Da uno dei suoi ultimi viaggi presso l’istituto di Paul Ehrenfest, dove si svolgevano ricerche di meccanica statistica e spettroscopia più vicine ai suoi interessi, nacque il suo articolo “sulla quantizzazione di un gas monoatomico perfetto”.

La statistica di Fermi

In quel lavoro presentava la statistica di Fermi; la teoria permise la comprensione di molti fenomeni di conduzione elettrica e termica nei materiali ed è tuttora uno dei pilastri portanti della fisica dello stato solido, cioè della scienza che permette gli sviluppi dell’elettronica e dei nuovi materiali.

Viene coniato in suo onore il termine “Fermione”, cioè tutte quelle particelle che, per le loro proprietà intrinseche (spin), hanno un comportamento che deve essere descritto dalla statistica di fermi. Queste comprendono elettroni, protoni e neutroni e quindi si può affermare che tutta la materia dell’universo, ubbidisce alla statistica di fermi.

Dal versante della ricerca applicata Fermi ed i suoi allievi (anche loro usciti molte volte fuori dall’Italia per prendere confidenza con le tecnologie dell’epoca) cominciarono a bombardare tutti gli elementi conosciuti con protoni prodotti da radon e berillio, fatti passare attraverso uno strato di acqua.

Nel 1934 i coniugi Curie e Joliot avevano ottenuto i primi elementi radioattivi artificiali, bombardando elementi leggeri (boro ed alluminio) con particelle alfa. Ma Fermi intuì che i neutroni, essendo privi di carica, potevano penetrare più facilmente nel nucleo dell’atomo. I neutroni inoltre potevano penetrare nuclei pesanti come l’uranio, al contrario delle particelle alfa che avendo la stessa carica del nucleo sono soggette a repulsione elettrostatica da esso esercitata. Quindi era possibile la produzione di elementi radioattivi artificiali ed isotopi degli elementi più pesanti.

I neutroni lenti

Durante le loro prove di bombardamento con neutroni, in condizioni simili, i risultati non erano sempre gli stessi. Per ovviare a questi strani risultati, tra la sorgente di neutroni ed il materiale da irraggiare veniva messo un assorbitore (piombo o altri materiali).

La mattina del 22 ottobre del 1934 Fermi trovatosi solo in laboratorio, decise di utilizzare al posto del piombo un pezzo di paraffina da mettere tra la sorgente ed il materiale da irraggiare (argento). I risultati furono sbalorditivi: l’attività dell’argento era centinaia di volte superiore a quella che si era ottenuta fino quel momento. Fermi trovò la spiegazione nella pausa pranzo: “i neutroni di qualche MeV, emessi da una sorgente di radon-berillio, perdono praticamente tutta questa energia cinetica in un gran numero di urti successivi con i protoni, e cioè con i nuclei degli atomi di idrogeno contenuti nella paraffina. Rallentati fino all’energia dell’agitazione termica delle molecole, i neutroni passano più tempo nelle vicinanze dei nuclei di argento del bersaglio e sono quindi molto più efficienti nell’induzione di radioattività”.

 I neutroni passando attraverso un composto ricco di idrogeno (protoni liberi), cedono metà della loro energia cinetica ad ogni urto. Quindi il fascio di neutroni veloci viene rapidamente frenato e l’energia dei singoli neutroni diviene quella propria dell’agitazione termica dell’idrogeno. Cosa che non avveniva con il piombo, nel quale si avevano urti elastici, e quindi il neutrone deviava il percorso ma non la velocità.

A cosa ha portato questa scoperta?

Fermi insieme ad i suoi ragazzi e grazie al suo artificio, mostra la straordinaria capacità di indurre trasmutazioni nucleari (la capacità di produrre sostanze radioattive artificiali). Questo dà loro la consapevolezza di compiere passi da giganti in molti settori che all’epoca erano in pieno fervore: dalla medicina nucleare all’industria (tutti i campi della scienza e della tecnica fanno uso di isotopi radioattivi). Ma inconsapevolmente cosa più curiosa, realizzarono la prima fissione nucleare artificiale di un atomo di uranio mediante bombardamento neutronico. Processo in cui il nucleo di un elemento pesante decade in frammenti di minore dimensione, con emissione di una grande quantità di energia e radioattività.

Da lì, nel 1938 gli fu consegnato il premio Nobel per i suoi studi, dopo il quale cercò di creare un istituto per le applicazioni cliniche alle sue ricerche. Ma la proclamazione delle leggi raziali di quegli anni, ebbe come conseguenza la disgregazione del gruppo, il quale si disperse e come da tradizione italiana regalò le nostre migliori menti ad altre nazioni.

Un dipinto rappresentante il momento dell’entrata in funzione della pila atomica nell’università di Chicago. A causa delle radiazioni in quell’occasione non fu possibile effettuare fotografie.

La nascita della prima pila atomica

Nonostante il prestigioso primato sulla fisica dei neutroni della scuola di Roma, per ragioni razziali o politiche oltre a Fermi che aveva la moglie di origini ebree, anche Rasetti, Pontecorvo, Segrè furono costretti a partire. Giunto in America Fermi divenne docente presso la Columbia University. Dopo la lettera di Einstein a Roosevelt su pressione di Szilard e Wigner (si temeva che la Germania potesse padroneggiare l’energia atomica) gli scienziati americani si convinsero dell’importanza delle ricerche sull’energia nucleare. La prima fase della ricerca concentrata nell’università di Chicago si concluse, quando sotto la direzione di Fermi, si ottenne la prima pila atomica (prima reazione a catena controllata in una pila atomica). Compton comunicò il successo dell’impresa con la sua frase storica:” il navigatore italiano è sbarcato nel nuovo mondo”. Nel 1944 prenderà parte al programma governativo Manhattan per la costruzione della prima bomba atomica.

Uso bellico e civile della nuova energia

IL 16 luglio 1945 nel poligono militare di Alamagordo fu fatta esplodere la prima bomba atomica. Per molti scienziati tra cui Fermi non era più necessario, perché la guerra contro la Germania era stata vinta due mesi prima. Il dibattito si fece ancora più acceso dopo il bombardamento di Hiroshima e Nagasaki e nel 1946 fu istituita la Atomic Energy Commission, con competenza sia sugli aspetti civili che militari dell’energia nucleare.

Alcuni eminenti fisici, e tra cui Fermi, furono chiamati a far parte di una sua commissione consultiva. Lo stesso Fermi disse, dopo che i russi fecero detonare la prima bomba all’idrogeno: ”Il fatto che non esista limite alla capacità distruttiva di questa arma rende la sua stessa esistenza e la capacità di costruirla un pericolo per l’umanità intera. È inevitabilmente un ordigno diabolico sotto qualunque aspetto lo si consideri. Per questa ragione, noi crediamo che sia importante per il Presidente degli Stati Uniti dire all’opinione pubblica americana e al mondo di ritenere che sia sbagliato, per fondamentali principi etici, iniziare lo sviluppo di una simile arma”.

Uso civile

La prima centrale nucleare per uso civile viene collegata alla rete nel 1954 in Russia a 100 km da Mosca. Ad oggi sono 436 i reattori attivi nel mondo, mentre sono 149 i reattori smantellati o disattivati. I reattori ancora attivi sono abbastanza obsoleti: 110 infatti (il 25%) hanno un’età compresa tra 27 e 30 anni, sette raggiungono addirittura i 45 anni e 63 (14,4%) hanno più di quarant’anni.

Prospettive future

Ovviamente la parte bellica non può essere controllata fino in fondo, ma l’uso civile, nonostante l’Ipcc (l’organismo Onu sui cambiamenti climatici) nella più recente raccomandazione sui sistemi per ridurre le emissioni di gas serra indicasse (tra gli altri) l’impiego dell’energia nucleare, è in forte crisi in quasi tutto il mondo.

Gli ultimi avvenimenti accaduti agli impianti, tra cui il disastro avvenuto a Fukushima nel 2011 (trent’anni prima il disastro di Chernobyl), oltre che il crollo dei prezzi dell’eolico e solare, hanno assestato un duro colpo ai progetti futuri.

In Italia con il referendum del 2011 si è messo al bando ogni ipotesi di costruzione di nuovi impianti. Anche la Germania che negli ultimi anni sta avendo problemi con la gestione delle scorie radioattive, ha annunciato l’uscita graduale dal nucleare a favore delle rinnovabili. Stesso discorso per la Francia che produce dal nucleare il 75% del suo fabbisogno: ha annunciato che scenderà nei prossimi anni al 50%.

In America dove sono presenti 100 centrali le cose non vanno meglio: Il gas di scisto sta mandando fuori mercato le centrali in tutto il paese.

Vantaggi e svantaggi presentati dall’utilizzo di questa energia

Il nucleare presenta indubbiamente dei vantaggi tra cui:

non emette in atmosfera CO2

Riduce l’importazione del petrolio, con una maggiore stabilità del sistema economico nazionale

-Le maggiori riserve di petrolio sono concentrate in pochi stati (Medi Oriente). Questi paesi sono dal punto di vista politico molto instabili e quindi questa instabilità può essere trasmessa a tutte le nazioni dipendenti dall’import del petrolio. L’uso del nucleare può ridurre questa dipendenza.

Ma questa tecnologia può portare degli innumerevoli svantaggi.

Ricordiamo i già citati disastri di Chernobyl, Fukushima in cui il rilascio di radiazioni ha portato ad innumerevoli morti per leucemia e tumori vari.

Negli ultimi anni il progresso tecnologico ha notevolmente migliorato la sicurezza nelle centrali ma può non bastare. Inoltre le scorie radioattive sono un’altra criticità di questo tipo di centrali. Per il momento l’unico modo di stoccaggio di questi materiali pericolosi è il deposito in aree geologiche o ingegneristiche dove devono rimanere per centinaia di migliaia di anni prima di decadere in scorie meno pericolose. Quindi nessuna località vuole sacrificare il proprio territori per ospitare rifiuti nucleari.

Da non sottovalutare inoltre il rischio terrorismo: il rischio che le centrali siano prese come obiettivi per atti di terrorismo è elevato. Ed in ultimo uno degli aspetti a maggior impatto, cioè il trasporto delle scorie e del materiale nucleare. Durante il trasporto, oltre all’opposizione delle popolazioni che vedono passare treni o navi con carichi radioattivi vicino alle proprie abitazioni, sussiste il rischio di incidenti e di attentati terroristici. Ad esempio in Francia, i treni adibiti a questo tipo di trasporto, sono scortati da carri armati e poliziotti a cavallo.

In conclusione

L’eredità del grande scienziato fu enorme sia come fisico che come matematico, con intuizioni geniali per la comprensione dei fenomeni e con esperimenti in grado di verificarle. Da ricordare che fu un ottimo insegnante, basti pensare al suo gruppo di lavoro a Roma. In seguito due dei suoi alunni americani ( Tsung-Dao Lee e Jack Steinberger) vinsero il premio Nobel.

Oltre ai lavori fin qui citati, continuò dopo la guerra con gli esperimenti al ciclotrone di Chicago, gli studi sul decadimento beta, la teoria dei raggi cosmici e le sue previsioni sugli sviluppi degli acceleratori. Contribuì alla fondazione dell’istituto di fisica nucleare (INFN) ed alla costruzione del primo sincrotrone di Frascati e del più avanzato centro di calcolo a Pisa. Fu una mente straordinaria le cui ricerche danno ancora oggi i suoi frutti. A Chicago inoltre è stato costruito in suo onore il FERMILAB, uno dei più importanti centri di ricerca per la fisica delle particelle che porta il suo nome.

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