Nel linguaggio corrente, l’espressione «energia nucleare» è genericamente associato a una forma di energia che ha origine negli atomi e viene prodotta nei reattori nucleari o liberata in modo devastante dagli ordigni bellici. In ambito scientifico, invece, il termine energia nucleare assume un significato ben preciso, perché indica l’energia che tiene legati i protoni e i neutroni nel nucleo.

nuclear energy L’energia nucleare è l’energia che bisognerebbe spendere per separare i nucleoni l’uno dall’altro.

La stessa quantità di energia viene ceduta, invece, nel processo inverso di aggregazione nel nucleo dei nucleoni che lo costituiscono. Non stupisca che in questo processo si liberi energia: anche un pallone che ricade a terra cede (in assenza di attrito) la stessa quantità di energia che era servita per allontanarlo dalla Terra.

Oggi sappiamo che l’entità dell’energia nucleare di un nucleo corrisponde al difetto di massa registrato quando i nucleoni di cui è costituito si aggregano per formare il nucleo stesso ed è stato possibile stabilire che la massa effettiva di un qualsiasi nucleo è sempre inferiore alla somma dei nucleoni componenti.

mass defect Il difetto di massa è la differenza tra la somma delle masse dei nucleoni che si devono aggregare per formare un nucleo e la massa nucleare effettiva.

 Per esempio, il nucleo del deuterio ha massa 2,01300 u, mentre la somma delle masse del protone e del neutrone corrisponde a 1,00728 u + 1,00867 u = 2,01595 u. Il difetto di massa è pertanto di 0,00295 u.

La relazione che consente di calcolare l’energia nucleare a partire dal valore del difetto di massa di un nucleo deriva dalla teoria della relatività di Einstein (▶figura 2.19), secondo cui esiste un’equivalenza tra massa ed energia. La massa può essere considerata «una forma di energia»: è possibile che essa si trasformi in energia, e che l’energia si trasformi in massa. Tali trasformazioni sono regolate dalla relazione:

dove c è la velocità della luce nel vuoto, pari a circa 3,00 · 10⁸ m/s. Poiché essa è costante, il rapporto E/m è costante, cioè E e m sono direttamente proporzionali; se un sistema subisce una perdita di massa deve quindi subire una proporzionale perdita di energia, che verrà ceduta nell’ambiente circostante.

Un sistema che subisce un difetto di massa di 1 u, pari a 1,661 ·10^‒27 kg, libera nell’ambiente una quantità di energia di 1,495 · 10^‒10 J; espressa in megaelettronvolt (MeV), che è l’unità di misura più utilizzata in questo ambito, tale quantità di energia corrisponde a 933 MeV (1 J = 624 · 10¹⁰ MeV).

Nel caso del deuterio, quindi, il difetto di massa che si registra quando un protone e un neutrone si aggregano per formare il nucleo corrisponde a una quantità di energia di 2,75 MeV. Questa è una quantità di energia veramente grande: quasi un milione di volte superiore a quella che tiene legati, per esempio, i due atomi H nella molecola H₂, che è 4,7 eV.

I processi di decadimento radioattivo che abbiamo in precedenza descritto sono soltanto alcune delle migliaia di reazioni nucleari oggi conosciute. In qualsiasi trasformazione nucleare i protoni e i neutroni dei nuclei reagenti si ridistribuiscono in modo diverso quando formano i nuovi nuclei.

Al variare della posizione dei nucleoni nel nucleo, varia anche l’energia nucleare perché la forza attrattiva che agisce tra i nucleoni dipende dalla loro distanza.

nuclear transformation powerL’energia in gioco in una trasformazione nucleare corrisponde alla differenza tra l’energia dei nuovi nuclei prodotti e quella dei nuclei reagenti.

Se l’energia dei nuclei reagenti è maggiore di quella dei nuclei prodotti, si ha liberazione di energia nell’ambiente.

L’energia in una reazione nucleare è circa un milione di volte più grande di quella in gioco in una reazione chimica.

L’energia che possiamo ottenere bruciando un kilogrammo di un combustibile come il metano è quindi piccola cosa rispetto a quella che si libera da una uguale massa di «combustibile nucleare»!