LA BOMBA ATOMICA

LA BOMBA ATOMICA

La bomba atomica o bomba A è il nome comune della bomba a fissione nucleare. È un ordigno esplosivo, appartenente al gruppo delle armi nucleari, la cui energia è prodotta dal fenomeno della fissione nucleare cioè la scissione, spontanea o indotta, del nucleo atomico di un elemento pesante in due o più frammenti. La reazione a catena avviene in forma “incontrollata” e rapidissima in una massa di uranio 235 o di plutonio 239 altamente concentrati, nell’istante in cui la massa viene resa “super-critica”.
Nell’uso comune talvolta il nome “bomba atomica” è esteso ad altre armi nucleari di potenza simile o superiore, includendo così anche le bombe che utilizzano l’altro tipo di reazione nucleare, la fusione dei nuclei di elementi leggeri.

Il termine bomba atomica nella classificazione originaria di bomba A indicava propriamente solo le bombe a fissione. Quelle che invece utilizzano la fusione sono chiamate bombe H o bombe all’idrogeno, o anche raggruppate nella definizione di armi termonucleari.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Il principio della bomba Atomica o bomba A è la reazione a catena di fissione nucleare, il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi con massa atomica superiore a 230 si può dividere (fissione) in due o più nuclei di elementi più leggeri quando viene colpito da un neutrone libero. La fissione si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena, se i nuclei fissili sono tanto numerosi e vicini fra loro da rendere probabile l’ulteriore collisione dei neutroni liberati con nuovi nuclei fissili. Gli isotopi che è possibile utilizzare nella pratica sono l’uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono i materiali fissili per eccellenza.

Quando un neutrone libero colpisce un nucleo di U235 o di Pu239, viene catturato dal nucleo per un tempo brevissimo, rendendo il nucleo composto instabile: questo si spezza entro 10-12 secondi in due o più nuclei di elementi più leggeri, liberando contestualmente due o tre neutroni e circa l’uno per cento della sua massa viene convertita in energia sotto forma principalmente di fotoni ed energia cinetica dei nuclei leggeri residui e dei neutroni liberi, per un totale di circa 200 MeV.

I neutroni liberati dal processo possono urtare a loro volta altri nuclei fissili presenti nel sistema, che quindi si fissionano liberando ulteriori neutroni e propagando la reazione a catena in tutta la massa di materiale. Come già detto però la reazione a catena avviene se e solo se la probabilità di cattura dei neutroni da parte dei nuclei fissili è sufficientemente alta, cioè in parole povere se questi nuclei sono numerosi, molto vicini fra loro e le perdite per fuga dal sistema sono opportunamente ridotte. Questo si ottiene, tipicamente, mettendo insieme in una geometria a basso rapporto superficie/volume una certa quantità di uranio (o plutonio) metallico arricchito, in cui cioè l’isotopo fissile sia presente in concentrazione più alta di quella presente in natura, ottenendo la cosiddetta massa critica. Il valore esatto di questa massa dipende dall’elemento scelto, dal grado del suo arricchimento e dalla forma geometrica scelta: orientativamente è di alcuni kg.

Nella testata di una bomba atomica, il materiale fissile è tenuto separato in più masse subcritiche, oppure foggiato in forme geometriche non favorevoli al bilancio neutronico per le elevate fughe (gusci sferici cavi). La bomba viene fatta detonare concentrando insieme il materiale fissile per mezzo di esplosivi convenzionali, che portano istantaneamente a contatto le varie masse, o fanno collassare il guscio sferico. La testata è eventualmente rivestita di uno schermo di berillio, che riflette parzialmente i neutroni che altrimenti verrebbero persi all’esterno.

STORIA
Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa-energia, espresso dall’equazione E=mc² prevista nella teoria della relatività ristretta di Albert Einstein. Questa equivalenza generica suggerisce che, in linea di principio, potrebbe esserci la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea, e una qualche reazione che implicasse l’equivalenza poteva essere la fonte di luminosità che accende le stelle.

Successivamente, si avanzò l’ipotesi che alcune reazioni che implicano questo principio potevano effettivamente avvenire all’interno dei nuclei atomici. Il “decadimento” dei nuclei provoca un rilascio di energia. L’idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta in seguito alla scoperta del neutrone. Alcune delle principali ricerche in questo campo furono condotte in Italia da Enrico Fermi.

Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti d’America (Enrico Fermi, Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner) si preoccuparono del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939 Fermi e Szilard, in base ai loro studi teorici, persuasero Albert Einstein a scrivere una lettera al presidente Roosevelt per segnalare che c’era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione. Il governo statunitense cominciò così a interessarsi alle ricerche.

Enrico Fermi proseguì poi negli Stati Uniti nuove ricerche sulle proprietà di un isotopo raro dell’uranio, l’uranio 235, fino a ottenere la prima reazione artificiale di fissione a catena autoalimentata: il 2 dicembre 1942, il gruppo diretto da Fermi assemblò a Chicago la prima pila atomica o reattore nucleare a fissione che raggiunse la condizione di criticità, costituito da una massa di uranio naturale e grafite disposti in maniera eterogenea.

Pochi mesi prima, nel giugno del 1942, in base ai calcoli fatti in una sessione estiva di fisica all’università della California guidata da Robert Oppenheimer, si era giunti alla conclusione che era teoricamente possibile costruire una bomba che sfruttasse la reazione di fissione a catena. La realizzabilità tecnica però richiedeva enormi finanziamenti.

La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan). Per produrre i materiali fissili, l’uranio e il plutonio, furono costruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell’epoca. I materiali, escluso il plutonio prodotto nei reattori dei laboratori di Hanford nello stato del Washington, e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto del New Mexico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo.

La prima bomba al plutonio (nome in codice “Gadget”) fu fatta esplodere nel “Trinity test” il 16 luglio 1945 nel poligono di Alamogordo, in New Mexico. La prima bomba all’uranio (“Little Boy”) fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba al plutonio, denominata in codice “Fat Man”, fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945.