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Reazione nucleare

Generalità e proprietà delle reazioni nucleari

La reazione nucleare è un processo che si verifica nei nuclei atomici coinvolgendo le forze nucleari a corto raggio d'azione (10-13 cm). Una reazione nucleare può verificarsi spontaneamente, come nel caso delle disintegrazioni radioattive di nuclei di elementi pesanti, oppure si ottiene bombardando il nucleo con proiettili (particelle elementari, nuclei, frammenti nucleari).

Nelle situazioni sperimentali che si verificano normalmente, una delle particelle interagenti, il nucleo bersaglio, è sostanzialmente in quiete e la reazione ha inizio per bombardamento di questa particella con proiettili nucleari di vario tipo. Quando, dopo l'urto, il nucleo bombardato è rimasto invariato, il processo è chiamato diffusione elastica, in caso contrario si dice che si è avuta una reazione nucleare.

Esempi di reazioni nucleari sono:

La fissione nucleare è quel processo secondo cui un nucleo pesante si frantuma in due (o più) nuclei più leggeri; questo è ciò che avviene nel processo di fissione dell'235U con conseguente liberazione di energia nucleare.

fissione dell'uranio

Processo di fissione nucleare.

La fusione nucleare è quel processo secondo cui nuclei leggeri si fondono a formare atomi con nuclei più pesanti; questo è ciò che avviene nel processo di fusione nucleare tra deuterio e trizio con la formazione di elio, l'emissione di un neutrone e la produzione di energia.

Fusione nucleare

Processo di fusione nucleare.

L'annichilazione particella-antiparticella è quel processo secondo cui una particella (materia) e la sua antiparticella (antimateria) si combinano tra loro con conseguente scomparsa di entrambe e liberazione di energia.

Processo di annichilazione
Processo di annichilazione.

In generale, siano X e a rispettivamente il nucleo bombardato e la particella incidente e siano Y e b i prodotti di reazione, la reazione nucleare si indica allora con la notazione:

Rappresentazione di una reazione nucleare

La probabilità che avvenga un siffatto processo viene caratterizzata da un parametro chiamato sezione d'urto (vedi oltre).

A causa dell'intenso campo elettrostatico prodotto dalla carica nucleare, le particelle bombardanti, se cariche positivamente, devono possedere una notevole energia cinetica per superare la repulsione elettrostatica (barriera coulombiana) e raggiungere il nucleo bersaglio; per questa ragione gli ioni più comunemente usati sono quelli degli isotopi dell'idrogeno (prozio, deuterio, trizio) e dell'elio (3He e 4He).

Mentre per i nuclei bersaglio più leggeri si possono produrre reazioni con protoni di energie dell'ordine di qualche centinaio di kiloelettronvolt, per nuclei bersaglio pesanti occorrono energie dell'ordine di qualche megaelettronvolt; fasci di particelle cariche dotate di tali energie vengono forniti da acceleratori di particelle, come ad esempio il ciclotrone.

I neutroni invece, essendo privi di carica, non subiscono repulsione da parte del campo elettrostatico del nucleo bersaglio; pertanto energie neutroniche anche solo di una frazione di elettronvolt sono sufficienti a provocare reazioni nucleari.

In maniera analoga, elettroni ad alta energia possono causare la disintegrazione dei nuclei; questi, tuttavia, interagiscono fortemente con gli elettroni atomici che circondano il nucleo bersaglio e sono perciò relativamente meno efficienti nel produrre reazioni nucleari che non i protoni o i neutroni.

Q di una reazione nucleare

Il Q di una reazione nucleare è la differenza tra l'energia cinetica relativa dei prodotti e l'energia cinetica relativa delle particelle primarie. Q rappresenta pertanto l'energia cinetica totale sviluppata o assorbita in una reazione nucleare.

Le reazioni con Q positivo vengono chiamate esoenergetiche o esotermiche, mentre quelle con Q negativo sono dette endoenergetiche o endotermiche.

Sezioni d'urto nucleari

La sezione d'urto nucleare per una reazione nucleare è una misura della sua probabilità. Si consideri una reazione prodotta da un fascio di particelle incidenti su una regione contenente n atomi (uniformemente distribuiti) per unità di superficie.

Se P particelle al secondo incidenti danno luogo a R reazioni al secondo di un tipo, la probabilità può essere espressa mediante la frazione di superficie bersaglio che effettivamente interviene nella produzione dei prodotti di reazione, R/P.

Dividendo questo numero per il numero dei nuclei per unità di superficie (n), si ottiene la superficie effettiva o sezione d'urto per un singolo nucleo bersaglio, cioè la sezione d'urto σ è data da σ = R/(P·n); σ ha quindi le dimensioni di un'area e si misura in centimetri quadrati o in barn (1 barn = 10-24 cm).

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