L’esasperarsi della guerra in Ucraina, i ripetuti riferimenti alla minaccia nucleare del governo russo e i timori dell’allargamento del conflitto per il coinvolgimento dei Paesi Nato in uno scontro con Mosca, stanno facendo crescere la ricerca di informazioni online su bombe atomiche, termonucleari e sulle armi di distruzione di massa. Non voglio qui parlare di armi, e certo Wikipedia non ci salverà da quello che potrebbe accadere in uno scenario simile, ma possiamo approfondire alcuni concetti di chimica per capire meglio il significato delle parole nucleare, fissione e fusione, nella speranza che tutto resti solo a livello di cultura.
Il nucleo atomico
Il nucleo atomico è la parte centrale di un atomo, costituita da particelle dette protoni che possiedono carica elettrica positiva e neutroni che non posseggono carica, e ha dimensioni dell’ordine di 10−15 m. Negli atomi neutri il numero atomico Z indica sia il numero di protoni sia quello degli elettroni ed è il numero d’ordine dell’elemento chimico nel sistema periodico. Il numero intero A che meglio approssima la massa del nucleo espressa in unità di massa atomica dipende dal numero di protoni (Z) e neutroni (N). Quindi A= N+Z. Due nuclei con lo stesso numero atomico Z, ma diverso numero di massa A, si definiscono isotopi (dal greco, uguale posizione nel sistema periodico) quindi appartengono allo stesso elemento (come l’idrogeno e il deuterio), mentre due nuclei con lo stesso numero di massa A, ma diverso numero atomico Z, prendono il nome di isobari (sempre dal greco, uguale peso) e appartengono a elementi chimici diversi.
Esistono delle forze dette nucleari che contrastano la repulsione coulombiana tra protoni (tutti con carica positiva, che quindi si respingono fra loro) e garantiscono la coesione del nucleo: la stabilità per nuclei leggeri si ottiene quando N è circa uguale a Z, mentre per nuclei pesanti N deve essere maggiore di Z. Il nucleo atomico naturale stabile con maggior numero di massa è il piombo (Z=82); gli elementi con Z maggiore di 82 decadono spontaneamente dando luogo alla radioattività, in tempi più o meno lunghi. Il tempo occorrente per ridurre alla metà la quantità di un isotopo radioattivo è detto tempo di dimezzamento: quello dello iodio-131 è 8 giorni, quello dell’uranio-238 4,5 miliardi di anni.
La fissione nucleare
Un nucleo radioattivo decade emettendo 6 tipi di particelle o radiazioni, oppure tramite la fissione (letteralmente rottura, dal latino findere) spontanea, in cui il nucleo si spezza in due frammenti che si respingono con violenza allontanandosi con elevata energia cinetica. Con la fissione si liberano anche neutroni che possono a loro volta indurre altre fissioni innescando la cosiddetta reazione a catena che, in un reattore nucleare, permette di mantenerlo in funzione producendo energia in modo continuo e costante. Questa reazione, provocata intenzionalmente, è quella che viene utilizzata dalle centrali nucleari e su cui è basato il funzionamento della bomba atomica, in cui la reazione a catena di fissione dei nuclei avviene in forma incontrollata (cioè esplosiva) in grande una massa di materiale fissile, uranio-235 o plutonio-239, con sufficiente grado di purezza. La bomba che fu sganciata sulla città di Hiroshima il 6 agosto 1945 era all’uranio, quella sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945 utilizzava il plutonio.
La fusione termonucleare
La fusione è la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre stelle, con produzione di una enorme quantità di energia: due nuclei di elementi leggeri, quali deuterio e trizio, a temperature e pressioni elevate, si fondono formando nuclei di elementi più pesanti come l’elio, con emissione di grandi quantità di energia.
La bomba all’idrogeno, o termonucleare, è un ordigno esplosivo la cui energia è in gran parte prodotta da una reazione a catena di fusione nucleare. E’ formata da due stadi: contiene al suo interno una bomba a fissione che fornisce l’altissima temperatura e pressione istantanee necessarie per innescare la reazione a catena di fusione nell’idrogeno (solitamente in forma di trizio, isotopo dell’idrogeno con massa atomica 3 anziché 1) contenuto nell’involucro dell’ordigno.
La fusione termonucleare controllata invece, benchè non ancora praticabile su grande scala, è oggi considerata una opzione molto concreta come fonte di energia sicura, compatibile con l’ambiente e praticamente inesauribile. Per questo motivo i ricercatori di tutti i paesi più industrializzati stanno lavorando a questo progetto, con risultati molto promettenti. Questa è la strada che vogliamo prenda la parola nucleare, invece di quella delle bombe.
La bomba atomica è un’arma di distruzione di massa, delle quali la comunità internazionale limita e sanziona la produzione per mezzo del trattato di non proliferazione nucleare. Gli effetti sui luoghi e sulle persone sono devastanti, come tristemente sappiamo dall’esperienza di Hiroshima e Nagasaki.
Le superfici illuminate direttamente dall’esplosione possono raggiungere temperature altissime, causando incendi violentissimi. Le temperature raggiunte dalle superfici esposte, nel caso si tratti di superfici corporee di esseri viventi, possono causare ustioni mortali, e anche distruggere gli organismi. Questo effetto si ha sulle persone che in quel momento si trovano in zone esterne direttamente esposte all’esplosione, non schermate da altri oggetti o da tute protettive. Il lampo dell’esplosione, avendo anche una forte componente di alte frequenze, può distruggere la retina causando cecità.
L’onda di sovrappressione distrugge istantaneamente edifici e manufatti e ciò corrisponde a una immensa proiezione di detriti ad altissime velocità (centinaia di metri/secondo). A Hiroshima, frammenti di vetro proiettati dall’esplosione sono penetrati in muri di cemento anche a distanze di 2200 metri dall’epicentro dell’esplosione.
Le conseguenze alle radiazioni
Le radiazioni emesse da un’esplosione nucleare hanno alta intensità, ma durata molto breve. I danni agli organismi viventi, come la malattia acuta prodotta dalle radiazioni o altre patologie, tra cui anche danni genetici causa di malformazioni di feti, possono essere causate non solo dall’esposizione diretta all’esplosione, ma anche e soprattutto dal contatto successivo con polveri e acqua contaminati.
Si tratta principalmente di radiazioni di tipo γ, a frequenza molto alta e tra le più pericolose per l’uomo, come tutte le radiazioni cosiddette ionizzanti. La pericolosità deriva dal fatto che sono capaci di danneggiare irrimediabilmente le molecole che compongono le cellule, portandole a sviluppare mutazioni genetiche o addirittura alla morte. Con la loro energia essi strappano all’atomo un elettrone, ponendo l’atomo in una condizione di instabilità e quindi di elevata reattività.
Le specie formate, ioni e radicali liberi, reagendo con altri atomi, alterano la struttura delle biomolecole contenute nel corpo umano, danneggiando il funzionamento delle cellule e la riproduzione: se la dose assorbita è molto piccola, come quando si fa una radiografia, gli effetti sono minimi e l’organismo è in grado di riparare i danni da solo. Ma se la dose è alta e la zona colpita è estesa, le cellule non sono in grado di far fronte alle alterazioni.
Se queste alterazioni riguardano il DNA, che poi si riproduce in maniera anomala, si assiste all’insorgere dei tumori a distanza di tempo in persone che sono state colpite da forti radiazioni. Anche i cromosomi possono essere spezzati dalla radiazione, trasmettendo il “messaggio” cromosomico alterato alle cellule che nasceranno, e danneggiando anche le generazioni future.
E per finire vogliamo parlare delle bombe fritte, dette anche Krapfen se sono dolci, ripiene di crema o di marmellata, oppure delle bombette salate, farcite con mortadella e di groviera, cotte al forno per i salutisti, che si mangiano a carnevale ma anche tutto l’anno, perché solo queste sono le bombe che ci piacciono.
*Biochimico, direttrice del Laboratorio Rischio Agenti Chimici dell’INAIL
Foto di Gerd Altmann da Pixabay
Fonte foto scientifiche: Wikipedia
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