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Anno IX
numero 3 – marzo 2000

 ENERGIA PER TUTTI

Le fonti primarie di energia

di Giovanni Vitagliano

Una facile esposizione per capire tutto dell’energia (6a parte)
B) FONTI NATURALI NON SPONTANEE DI ENERGIA
2) Energia nucleare
L’energia nucleare (impropriamente talvolta chiamata energia atomica) viene così chiamata perché ha origine dal nucleo dell’atomo. La sua genesi è molto più difficile da comprendere delle altre di cui si è già parlato, ma essa riveste un tale interesse che conviene spendere sui principi fisici che permettono lo sfruttamento di questa particolarissima forma di energia qualche parola in più. Tenteremo di dare queste spiegazioni con qualche semplice similitudine e qualche accostamento, sperando che i fisici nucleari ci perdonino qualche mancanza di rigore scientifico.
È noto che il mondo oggi conosciuto è formato da 92 elementi in tutto, se trascuriamo quelli ottenuti artificialmente (i cosiddetti transuranici), i quali si legano tra loro formando un ben maggiore numero di composti. Sono elementi il ferro, l’argento, il rame, l’oro, il cloro, lo iodio, il mercurio. Sono composti il sale da cucina, l’acqua, lo zucchero, la soda, l’acido cloridrico, e via dicendo.
Tutti gli elementi sono formati da atomi (parola ancora una volta derivata dal greco che vuol dire non divisibile) che per ciascun elemnto sono "quasi" del tutto uguali tra loro, a meno di piccolissime (ma molto importanti, come vedremo tra breve) differenze.
L’atomo, a sua volta, è formato da due parti: una parte interna, più pesante e consistente, detta appunto nucleo, ed una parte periferica, la "nube elettronica", di peso trascurabile rispetto al nucleo. Le dimensioni di un atomo completo della sua "nube elettronica" sono pari ad un centomilionesimo di millimetro; ciò vuol dire che se mettessimo in fila tutti questi atomi uno dietro l’altro, ce ne vorrebbero cento milioni per raggiungere la lunghezza di un centimetro. Il nucleo è ancora più piccolo, di ben centomila volte; cioè, per fare un centimetro con un immaginario nucleo privo di nube elettronica ne occorrerebbero ben diecimila miliardi!
Per fissare le idee, diciamo che un atomo è composto di un nucleo e di un certo numero di elettroni orbitanti intorno ad esso, come (secondo un’immagine molto comune, anche se non del tutto esatta) i pianeti intorno al sole. Come abbiamo detto, gli elementi sono 92; essi si distinguono tra loro per il numero di elettroni, che possono essere appunto da 1 (atomo di idrogeno) a 92 (atomo di uranio). Aumentando il numero di elettroni, varia anche la composizione del nucleo ed il suo peso e, quindi, il peso dell’atomo.
Vediamo come accade questo: l’elettrone è una particella di peso piccolissimo, carica di elettricità negativa; il nucleo, perché l’atomo sia elettricamente neutro, deve avere una carica elettrica uguale e contraria, per cui deve avere, per ciascun elemento, un numero di particelle positive pari al numero di elettroni: infatti, queste particelle esistono e si chiamano "protoni". Ad ogni elettrone orbitante corrisponde nel nucleo un protone, di peso notevomente superiore. Se ne potrebbe allora dedurre che il peso di un atomo di una certa sostanza si possa ottenere dalla moltiplicazione del numero dei protoni del nucleo (ovvero del numero degli elettroni orbitanti intorno ad esso, che è uguale, come abbiamo detto) per il peso di un singolo protone, aggiungendo poi il peso degli elettroni. Invece, il peso di un atomo, fatta eccezione per l’atomo di idrogeno, risulta sempre più elevato, ed in modo non trascurabile; ciò si verifica perché nel nucleo, oltre ai protoni, esistono altre particelle di peso uguale a quello dei protoni, ma prive di carica elettrica, e che quindi non sbilanciano la neutralità elettrica dell’atomo; proprio per questo motivo, sono state battezzate "neutroni".
Quindi un atomo, procedendo dall’esterno verso l’interno, è formato da:
- un certo numero di elettroni (da 1 a 92)
- un certo numero di protoni ( da 1 a 92)
- un certo numero di neutroni (da 1 a 145)
Nella tabella che segue sono riportati, per ciascun atomo, i numeri in questione. Il peso di un atomo (peso atomico) è dato "quasi" esattamente, tranne poche eccezioni, dalla somma di protoni e neutroni, ciascuno dei quali è stato convenzionalmente considerato di peso pari a uno. Il peso degli elettroni è così piccolo che diventa trascurabile.
Diamo un’occhiata non troppo superficiale alla tabella e cominciamo a farci qualche ragionamento.
ELENCO DEGLI ELEMENTI ESISTENTI IN NATURA
elemento  n.protoni  n.neutroni  peso atomico

1-Idrogeno 1 0 1
2-Elio 2 2 4,003
3-Litio 3 4 6,940
4-Berillio 4 5  9,013
5-Boro 5 6 10,82
6-Carbonio 6 6 12,010
7-Azoto 7 7 14,008
8-Ossigeno 8 8 16,000
9-Fluoro 9 10 19,001
10-Neon 10 10 20,13
11-Sodio 11 12 22,987
12-Magnesio 12 12 24,32
13-Alluminio 13 14 26,98
14-Silicio 14 14 28,06
15-Fosforo 15 16 30,975
16-Zolfo 16 16 32,066
17-Cloro 17 18 35,457
18-Argon 18 21 39,944
19-Potassio 19 20 39,10
20-Calcio 20 20 40,08
21-Scandio 21 24 44,96
22-Titanio 22 26 47,90
23-Vanadio 23 27 50,95
24-Cromo 24 28 52,01
25-Manganese 25 30 54,93
26-Ferro 26 30 55,85
27-Cobalto 27 32 58,94
28-Nikelio 28 31 58,69
29-Rame 29 35 63,542
30-Zinco 30 35 65,377
31-Gallio 31 39 69,72
32-Germanio 32 41 72,60
33-Arsenico 33 42 74,91
34-Selenio 34 45 78,96
35-Bromo 35 45 78,916
36-Kripton 36 48 83,80
37-Rubidio 37 48 85,48
38-stronzio 38 50 87,63
39-Ittrio 39 50 88,92
40-Zirconio 40 51 91,22
41-Niobio 41 52 92,91
42-Molibdeno 42 54 95,95
43-Tecmezio 43 56 98,91
44-Rutenio 44 58 101,7
45-Rodio 45 58 102,91
46-Palladio 46 61 106,7
47-Argento 47 61 107,880
48-Cadmio 48 64 112,41
49-Indio 49 66 114,76
50-Stagno 50 69 118,70
51-Antimonio 51 71 121,76
52-Tellutrio 52 76 127,61
53-Iodio 53 74 126,91
54-Xeno 54 77 131,3
55-Cesio 55 78 132,91
56-Bario 55 81 137,36
57-Lantanio 57 82 138,92
58-Cerio 58 82 140,13
59-Praseodimio 59 82 140,92
60-Neodimio 60 84 144,27
61-Prometeo 61 86 147
62-Samario  62 89 150,43
63-Europio 63 89 152
64-Gadolinio 64 93 156,9
65-Terbio 65 94 159,2
66-Disprosio 66 96 162,46
67-Olmio 67 98 164,94
68-Erbio 68 99 167,2
69-Tulio 69 100 169,4
70-Itterbio 70 103 173,04
71-Lutezio 71 104 175,0
72-Afnio 72 107 178,6
73-Tantalio  73 108 180,88
74-Tungsteno 74 110 183,92
75-Renio 75 111 186,31
76-Osmio 76 114 190,2
77-Iridio 77 116 193,1
78-Platino 78 117 195,23
79-Oro 79 118 197,2
80-Mercurio 80 121 200,61
81-Tallio 81 123 204,39
82-Piombo 82 125 207,21
83-Bismuto 83 126 209
84-Polonio 84 126 210
85-Astato 85 125 211
86-Radon 86 136 222
87-Francio 87 136 223
88-Radio 88 138 226,05
89-Attinio 89 138 227
90-Torio 90 142 232,12
91-Protoattinio 91 140 231
92-Uranio 92 146 238,07

Resta da domandarsi, esaminando con un po’ di attenzione la tabella, perché il peso di ciascun elemento non è dato ogni volta dalla somma protoni + neutroni; per esempio, l’oro dovrebbe avere un peso atomico 79+118 = 197, ed invece il peso atomico è 197,2, cioè superiore di 0,2. Forse la nostra bilancia non è abbastanza precisa? Quello 0,2, apparentemente così piccolo, in termini atomici non è affatto trascurabile, perché equivale alla quinta parte di un protone. Qualcuno potrebbe pensare che la differenza sia dovuta agli elettroni, o alle altre innumerevoli particelle di cui talvolta si sente parlare nella scienza divulgata, ma naturalmente non è così, come abbiamo già premesso, perché il peso di un elettrone è 1/1820 del peso di un protone; poiché l’oro contiene 79 elettroni, il peso in più dovrebbe essere 79/1820, cioè all’incirca 0,04, numero molto inferiore a 0,2 (per l’esattezza, la quinta parte). Per quanto riguarda le altre particelle, hanno pesi ancora inferiori, per cui nessuna di esse è in grado di elevare sensibilmente il peso atomico. 

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