SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Dal 1938, Hahn, Strassmann e Meitner avevano identificato almeno 10 prodotti radioattivi derivanti dal bombardamento con neutroni dell'uranio, molti di più di quelli osservati inizialmente dal gruppo  Fermi. Essi ipotizzarono che queste sostanze fossero nuovi elementi transuranici o isotopi dell'uranio. I Joliot-Curie avevano pure eseguito questi esperimenti e credevano di aver osservato torio e attinio (elementi che precedono l'uranio). Queste differenze con i risultati di Fermi portarono entrambi i gruppi a continuare le loro ricerche.Prima del dicembre 1938, Hahn e Strassmann pensavano di aver stabilito le reazioni nucleari che davano i prodotti indicati dai Joliot-Curie. Presumibilmente, isotopi del radio prodotti dal bombardamento iniziale con neutroni dell'uranio decaduto in torio e attinio. Per essere assolutamente certi, Hahn e Strassmann decisero di identificare gli isotopi del radio per via chimica. Il radioisotopo sospetto è indicato come "Ra". Poiché radio e bario sono elementi del gruppo IIA, aventi le stesse proprietà chimiche, venne aggiunto del bario come mediatore per facilitarne l'isolamento di piccole quantità.

Il passo finale in questo procedimento fu una cristallizzazione frazionaria per separare il bario dal sospettato "radio". Hahn e Strassmann non furono in grado di separare la radioattività del 'Ra' da quella della frazione di bario e pertanto confermarono che uno dei prodotti del bombardamento dei neutroni sull'uranio non era nelle vicinanze del radio, ma distante dal bario. Poteva essere corretta l'ipotesi di Ida Noddack? Si erano gli atomi di uranio divisi in frammenti di massa circa uguale?

Hahn e Strassmann ripeterono l'esperimento numerose volte e non furono mai in grado di isolare il "radio" dal bario. Essi riportarono i loro risultati nel modo seguente: "Come chimici, dobbiamo in realtà dire che le nuove particelle non si comportano come il radio ma, in effetti, come il bario; come fisici nucleari, non possiamo trarre questa conclusione, che è in conflitto con tutte le esperienze in fisica nucleare." Hahn, il chimico, era riluttante ad andare contro le idee dei fisici nucleari, nonostante la chiara evidenza chimica del bario.

Hahn allora si rivolse alla sua collega, Lise Meitner, per una spiegazione. Meitner era un fisico che era emigrata da poco in Svezia per sfuggire al regime nazista. Durante il Natale del 1939, Meitner e suo nipote Otto Frisch, un fisico pure esiliato dalla Germania, lessero la lettera con la relazione di Hahn e con sorpresa i risultati del bario. Quando Meitner e Frisch ricercarono una spiegazione, apparve loro chiaro che quando il nucleo di uranio assorbe un neutrone, poteva divenire instabile e dividersi in due particelle di massa circa uguale (cioè, bario e kripton). Essi usarono il primo modello di Bohr, che trattava il nucleo come una grande goccia di liquido. In questo modello, l'assorbimento di un neutrone poteva indurre instabilità nel nucleo di uranio e dividerlo in due gocce più piccole. Se questa divisione ha luogo, le gocce risultanti (frammenti nucleari) si dovevano respingere a causa della loro carica positiva. Questo processo, chiamato "fissione" da Meitner e Frisch, poteva dare origine a una grande quantità di energia, così come a neutroni aggiuntivi. Essi calcolarono che l'energia  associata alla repulsione tra i due frammenti nucleari carichi positivamente doveva essere di circa 200 MeV per atomo di uranio. Per confronto, le reazioni chimiche più energetiche liberavano circa 5 eV per atomo.

Da dove veniva l'energia richiesta per separare il nucleo di uranio? I dati esistenti sulle masse degli elementi mostravano che la somma delle masse dei più piccoli prodotti nucleari era minore della massa dell'uranio. Meitner usò la famosa equazione di Einstein E = mc2 per calcolare l'energia associata alla differenza di massa  (energia nucleare di legame) e l'energia associata alla repulsione dei due frammenti di fissione. I suoi calcoli rivelarono che l'energia equivalente al difetto di massa era uguale a 200 MeV! Frisch tornò rapidamente al suo laboratorio al Neils Bohr Institute a Copenhagen per verificare sperimentalmente tale ipotesi.

La comunità scientifica era eccitata dalla scoperta di questa nuova fonte di energia. Quando Frisch presentò la sua spiegazione a Bohr, questi si colpì la fronte ed esclamò, "Che idioti siamo stati tutti! Oh ma questo è meraviglioso! Deve essere proprio così!" L'energia proveniente dalla fissione era almeno otto ordini di grandezza maggiore dell'energia emessa nelle reazioni chimiche che riguardavano un uguale numero di atomi.

La fissione faceva sorgere la possibilità di una reazione nucleare a catena. I prodotti radioattivi della fissione avevano un eccesso di neutroni, rispetto ai nuclei stabili (non radioattivi) dello stesso numero di massa. Essi potevano eliminare l'eccesso di neutroni per decadimento beta, un processo lento che aumenta di uno il numero atomico, o per emissione diretta di neutroni. In quest'ultimo caso, i neutroni secondari potevano essere usati per produrre nuovi fissioni e se si otteneva un numero sufficiente di fissioni, si poteva ottenere un numero di neutroni sufficienti a sostenere una reazione a catena.

Si ipotizzò che se una tale reazione a catena potesse essere controllata, si poteva disporre di una enorme fonte di energia. Gli scienziati iniziarono a pensare su potenziali impianti di produzione di  energia nucleare. Ma se la reazione a catena avveniva in modo violento e incontrollato, si poteva avere una bomba atomica. Gli scienziati iniziarono a preoccuparsi sulle potenzialità delle armi nucleari. 

Rimaneva una domanda finale sulla fissione dell'uranio. Nel 1935, Arthur Dempster, un chimico nato in Canada al lavoro all'Università di Chicago, usò uno spettrometro di massa per trovare un isotopo fino ad allora sconosciuto di massa 235 nascosto nell'uranio naturale, la cui massa totale era circa 238. Tre anni dopo, Alfred Nier usò uno spettrometro di massa per misurare il rapporto tra U-235 e U-238 nell'uranio naturale trovando 1:139, che significa che U-235 era presente in quantità pari a 0.7%.

Intanto, all'Università di Princeton, Niels Bohr e John Wheeler ipotizzarono che solo U-238 subiva fissioni con neutroni veloci di alta energia, mentre neutroni termici lenti potevano produrre fissione solo nell'U-235. John Dunning, un fisico che lavorava con Fermi alla Columbia University, decise di verificare la teoria Bohr-Wheeler e fece un accordo con Nier per ottenere qualche microgrammo di U-235 puro. Usando questo piccolo campione, il gruppo Dunning dimostrò l'ipotesi Bohr-Wheeler. Fino a questa scoperta l'isotopo più leggero non era considerato importante nelle reazioni nucleari a causa della sua bassa concentrazione. Ora, per fare una bomba all'uranio, doveva essere necessario separare l'U-235 dall'U-238, che è una operazione difficile. Metodi fisici, non chimici, si dovevano usare per la separazione, poiché i due isotopi hanno identiche proprietà chimiche.


Lise Meitner e Otto Hahn
 
Otto Hahn e fritz Strassmann illustrano la strumentazione per la scoperta della fissione
 
Otto Frisch