Fisica nucleare
Alla comprensione della struttura dell'atomo contribuì nel
1896 la scoperta della radioattività dei minerali di uranio; da parte del
fisico Antoine-Henri Becquerel. In pochi anni si scoprì che la radiazione
emessa dalle sosta 121d36b nze radioattive poteva essere di tre tipi: radiazione alfa,
costituita da atomi di elio ionizzati; radiazione beta, composta da elettroni
veloci; raggi gamma, in seguito identificati come radiazione elettromagnetica
di lunghezza d'onda molto corta. Nel 1898 i fisici francesi Marie e Pierre
Curie separarono da un minerale di uranio il radio e polonio, due nuovi
elementi, ben presto identificati come radioattivi. Intorno al 1903 Rutherford
e Frederick Soddy mostrarono che l'emissione di raggi alfa o beta comportava la
trasformazione dell'atomo istabile in una specie atomica diversa. Si trovò in
seguito che gli eventi radioattivi avvengono in modo statistico; non esiste
quindi alcun modo di sapere quale atomo all'interno di un materiale radioattivo
debba decadere in un certo istante. Nel 1919 Rutherford bombardò con particelle
alfa un bersaglio di azoto; l'elemento si dissociò in idrogeno e ossigeno,
dando luogo alla prima trasmutazione artificiale.
Nello stesso periodo, grazie allo sviluppo dello spettrometro di massa, furono
condotte importanti ricerche sulla natura degli isotopi e da questi studi
emerse un modello che concentrava nel nucleo tutta la carica positiva e quasi
tutta la massa dell'atomo. Le particelle del nucleo dotate di carica positiva
vennero identificate come protoni, ma si dovette ammettere l'esistenza di altre
particelle neutre (in tutti i nuclei a eccezione dell'idrogeno) per trovare un
accordo con i dati ottenuti nelle misurazioni delle masse. Nel 1932 il fisico
britannico James Chadwick scoprì il neutrone, una particella elettricamente
neutra, con massa pari a 1,675 × 10-27 kg, poco maggiore di quella del protone.
La nuova particella fu presto riconosciuta come un costituente fondamentale del
nucleo atomico.
La forza di repulsione elettrostatica tra cariche elettriche positive tende ad
allontanare i protoni di un nucleo, pertanto perché l'atomo sia stabile è
necessaria l'azione di una forza attrattiva molto intensa che tenga
strettamente legati tutti i nucleoni (l'insieme di protoni e neutroni). L'energia
associata a questo tipo di legame, chiamato interazione nucleare forte, è
estremamente grande, milioni di volte superiore a quella tipica dei legami
chimici. Si comprende allora come l'emissione di una particella costituita da
due protoni e due neutroni da parte di un nucleo radioattivo (decadimento alfa)
sia un processo che comporta il superamento di una certa barriera energetica.
Il meccanismo del decadimento alfa venne spiegato in termini quantistici dai
fisici statunitensi Edward Condon, George Gamow e Ronald Wilfred Gurney nel
1928. Essi mostrarono che la natura statistica dei processi nucleari permette
alle particelle alfa di superare la barriera energetica del nucleo radioattivo.
Il decadimento beta fu invece interpretato come risultato del decadimento di un
neutrone all'interno del nucleo radioattivo: un neutrone del nucleo
"padre" si scompone in un protone, un elettrone (la particella beta
emessa) e un antineutrino elettronico. In genere dopo il decadimento alfa o
beta, il nucleo rimane energeticamente instabile e l'energia in eccesso viene
smaltita sotto forma di raggi gamma.
In tutti questi processi nucleari la somma delle masse dei prodotti è inferiore
a quella dei reagenti. La differenza, detta difetto di massa, viene convertita
in una quantità di energia molto elevata, che può essere calcolata mediante
l'equazione E = mc2
