NUCLEO ATOMICO. - Lo studio per scoprire l'intima costituzione degli atomi chimici portò alla conclusione che ogni atomo consiste realmente di un n. e di una regione periferica, in cui esistono elettroni collegati al n. Il modello atomico da Rutherford agli inizi del nostro secolo è stato modificato da N. Bohr e da A. Sommerfeld in base ai principi di Planck e di Pauli. Il modello di atomo quantizzato di Bohr riuscì ad interpretare quasi esattamente l'emissione di radiazioni visibili, ultraviolette, infrarosse da parte dell'atomo di idrogeno; e la teoria di Sommerfeld permise la classificazione degli atomi nella tabella di Stoner che, sulla base della distribuzione degli elettroni rotanti attorno al n., spiegò a sua volta la ricorrenza delle proprietà fisico-chimiche degli atomi.
Le proprietà fisico-chimiche degli elementi dipendono esclusivamente dalla detta distribuzione degli elettroni satelliti. E questa distribuzione dipende a sua volta dalla carica elettrica del n. che determina il numero di tali elettroni e i raggi delle loro orbite. Poiché l'elettrone ha una carica elettrica negativa che, allo stato attuale delle nostre conoscenze sperimentali, si deve ritenere indivisibile, essa è stata assumita come carica unitaria.
I n. a. hanno cetiche elettriche positive eguali, a parte il segno, ad un numero intero Z di cariche elementari, così che un atomo neutro sarà completato con un egual numero Z di elettroni rotanti attorno al n. Questo numero Z, detto numero atomico, ha quindi un triplice
significato; 1) misura la carica positiva del n. in unità elementari; 2) rappresenta il numero di elettroni negativi rotanti attorno al n.; 3) definisce l'ordine dell'elemento al quale l'atomo appartiene secondo una classificazione fondata sul numero crescente di elettroni satelliti, classificazione che si identifica, a meno di poche eccezioni, con quella fondata sul valore crescente della massa atomica. La carica elementare accuratamente misurata, risulta di 1,6.10⁻¹⁰ coulomb.
Gli atomi più semplici sono quelli di idrogeno (H);
essi sono costituiti da un n. avente una carica positiva unitaria ed un unico elettrone rotante. Ad essi quindi il numero atomico Z = 1. La massa di tale n. è valutata 1,673.10⁻²¹ grammi; ne occorrono cioè 5,98.10²¹ per formare un grammo di materia. Anche il n. di H risulta particella indivisibile: essa è stata chiamata protone. La massa dell'elettrone risulta notevolmente più piccola di quella del protone; essa è 0,00091.10⁻²¹ grammi ossia 1/1840 della massa del protone. Mentre protone
Si ricorda che la chimica riferisce le masse atomiche ad una speciale unità di massa = 1/16 della massa di un atomo di ossigeno (O). Un'unità di massa è uguale a 1,6603.10⁻²¹ grammi. Il suo inverso, ossia 6,02.10²¹, è detto numero di Avogadro e rappresenta il numero di unità di massa necessario per formare la massa di un grammo. A ciascuna di queste particelle elementari, considerate come piccole sfere, si può attribuire un diametro di ca. 3.10⁻¹⁰ cm. Il numero delle particelle «pesanti» (solo protoni oppure protoni + neutroni) si chiama numero di massa. Ogni n. potrà indicarsi con il simbolo dell'elemento al quale appartiene, e con due numeri, M in alto e Z in basso.
P. es.: ₁H¹, ₄Be⁰, ₆O¹⁶, ₂₅U²³⁸ indicano rispettivamente n. (o atomi) di idrogeno, berillio, ossigeno, uranio aventi i numeri atomici 1,4,8,92 e i numeri di massa 1,9,16,238. In conseguenza del triplice significato del numero atomico, gli atomi (o i n.) di egual numero atomico Z appartengono allo stesso elemento; i numeri atomici sopra indicati 1,4,8,92 non possono che appartenere rispettivamente ad atomi di H,Be,O,U tanto che, tralasciandoli, non si incorre in ambiguità; però gli stessi atomi (o n.) potranno avere numeri di massa diversi da quelli indicati, si potranno cioè avere degli atomi come ₁H², ₁H³, ₄Be¹⁰, ₆O¹⁷, ₆O¹⁸, ₂₅U²³⁶ appartenenti ad elementi chimicamente eguali ai precedenti, detti isotopi di questi, in quanto nella classificazione di Stoner o in quella di Mendelejeff devono occupare «lo stesso posto». Un solo simbolo chimico serve per tutti gli isotopi di un elemento; fa eccezione l'idrogeno di numero di massa 2, detto anche idrogeno pesante o deuterio, per il quale si può anche usare il simbolo D. I n. di D si chiamano deutoni.
Oltre ai n. naturali, a partire dal 1916 si è cominciato ad ottenere n. artificiali modificando i primi mediante «bombardamento»; si è cioè realizzato il segno degli
antichi alchimisti, di trasformare un elemento in un altro elemento; però i n. così ottenuti o corrispondono a qualche n. naturale già noto ed hanno, in tal caso, di esso tutte le caratteristiche, compresa l'eventuale radioattività, oppure risultano tutti radioattivi ossia instabili. I n. artificiali oggi fabbricati sono molte centinaia e vanno continuamente aumentando. Il bombardamento di n. è stato ottenuto per la prima volta da Rutherford ponendo vicino alla sostanza da bombardare una sostanza di radioattività α. Le particelle α emesse in forte numero hanno una certa probabilità di urtare i n., probabilità che diminuisce all'aumentare di Z, in quanto la forza repulsiva esercitata sulla particella α dal n. aumenta (legge di Coulomb) con l'aumentare di Z. Il n. colpito assorbe la particella α ed emette generalmente un protone o un deutone o altra particella, e si trasforma in un altro n.
L'energia delle particelle si usa misurare in MeV (mega-elettrone-volt); un MeV è l'energia acquistata da un elettrone quando viene eccelerato da una differenza di potenziale di un milione di volt. Le particelle α emesse dalle sostanze radioattive hanno energie che vanno da 4,23 MeV (emesse dal Th²³²) a 8,76 MeV (emesse dal Po²³³; per i simboli V. CHIMICA).
Si possono ottenere n. di protoni, deutoni, α, di energie molto maggiori di quelle delle α naturali, mediante « macchine acceleratrici » chiamate acceleratori lineari e multipli (studiati e perfezionati da Cockrott e Walton, Van de Graaf, Alvarez), ciclotroni (Lawrence), sincrociclotroni (Mc Millan e Weksler), bevatroni o cosmotroni; i primi permettono di accelerare protoni, deutoni, α sino ad energie di decine di MeV; i ciclotroni sino a 100 e i sincrociclotroni sino a centinaia di MeV e infine i bevatroni sino a migliaia di MeV (1000 MeV = 1 Bev); p. es., il sincrociclotrone di Fermi a Chicago può dare α sino a 480 MeV; in questa macchina, la più potente del suo genere, il solo elettronnagente ha una massa di ferro che pesa 1700 tonn.; il bevatrone in costruzione a Berkeley ha un magnete anulare di 90 metri di diametro. I protoni, deutoni, α accelerati a queste altissime energie non solo riescono ad arrivare sino ai n. di maggior carica, ma possono produrre reazioni particolari analoghe a quelle che danno origine ai mesotroni dei raggi cosmici. Le possibilità di reazioni nucleari sono infine particolarmente elevate con bombardamento di neutroni. Le prime esperienze in tal senso sono state intraprese nel 1932 da Fermi a Roma e da Joliot a Parigi. La sorgente di neutroni di Fermi è costituita da una fialetta di vetro contenente un poco di polvere di berillio ed una sostanza radioattiva α (radio, emanazione, polonio, ecc.). Dall'urto delle α contro i n. di berillio si ottiene la reazione eBe⁰ + eα² = e2Li⁰ + neutrone. I neutroni hanno un altissimo potere penetrante, quindi escono facilmente dal tubetto di vetro. Nella sorgente di neutroni di Fermi si ottiene la produzione di un neutrone ogni 30.000 α ca. Poiché un grammo di radio emette 37 miliardi di α al secondo si ottengono da essi ca. un milione di neutroni al secondo.
Le pile atomiche ideate e costruite per la prima volta da Fermi rappresentano sorgenti di neutroni enormemente più intense dei preparati Ra + Be. Una delle più modeste pile atomiche, quella francese detta ZOE, può fornire un flusso di ca. 10¹¹ neutroni al secondo, pari cioè a quello ottenibile da una sorgente Ra + Be contenente un quintale di Ra. I n. radioattivi artificiali ottenuti con i bombardamenti di vario genere hanno caratteristiche di disintegrazione simili a quelle dei n. naturali. Ma oltre a questi fenomeni ne esiste uno di particolare importanza, scoperto nel 1939 da Hahn. L'uranio α 1²³⁵ colpito da un neutrone si rompe in due parti quasi uguali e in un certo numero di neutroni (da 0 a 6, in media 2,4).
Il fenomeno è stato chiamato scissione (ingl. fission); esso è presentato oltre che dall'U²³⁵ da alcuni altri elementi pesanti, soprattutto dal Pu²³⁶, per neutrone di ogni energia. L'U²³⁶ si scinde invece soltanto se il neutrone che lo colpisce ha una energia superiore a 2 MeV. La pila atomica è un dispositivo nel quale si ha una successione controllata di scissioni che continua « a catena » grazie ai neutroni che si generano nelle scissioni e che a loro volta possono produrre altre scissioni; questa reazione a catena
non può avvenire con l'U²³⁸ perché i neutroni liberati nella scissione hanno energie inferiori a 2 MeV. Anche la reazione nucleare della bomba atomica è della stessa natura; mentre nella pila si controlla il numero di scissioni successive, nella bomba si procura che le successive generazioni di neutroni aumentino il più rapidamente possibile, così da ottenere una reazione a carattere esplosivo.
Le masse dei n. sono state accuratamente misurate mediante uno strumento ideato a Cambridge da Aston e chiamato spettrografo di massa. I risultati delle misure hanno dimostrato che ogni singolo n. ha una massa leggermente inferiore a quella che ci si dovrebbe aspettare in conseguenza del numero di protoni e neutroni che lo compongono. Ogni n. presenta cioè « un difetto di massa » Δ m, come se i componenti elementari di esso, quando sono « impacchettati », subissero una diminuzione della loro massa. Questa diminuzione è stata considerata come l'equivalente dell'energia e necessaria per avvicinare i nucleoni (= protoni + neutroni) e impacchettarli o legarli (in tedesco tale energia è detta packungenergie; in inglese binding energy) e risulta sempre crescente con la massa atomica, eccezion fatta per alcune irregolarità che si riscontrano nei primi elementi. In base alla relazione di Einstein: E = c²Δ m; se si misura E in MeV e Δ m in unità di massa, la costante c² assume il valore 931 MeV/unità di massa (che ha ancora la dimensione del quadrato di una velocità). Se si calcola il difetto di massa dei singoli nucleoni che costituiscono il n., ossia il valore di Δ M/M, si trova ch'esso varia con il numero di massa M, come è indicato in figura.
Ad ogni trasformazione nucleare si ha una variazione del difetto di massa; questa produce uno sviluppo di energia (reazione esotermica) se trasforma un n. in un altro con difetto di massa maggiore, ciò che avviene quando si passa da n. con M, molto grande o molto piccolo, verso n. con M intermedio. Al contrario se si parte da n. con M intermedio sia verso n. con M maggiore o minore si ha sempre una diminuzione del difetto di massa e in questo caso la reazione è sempre endotermica cioè con assorbimento, invece che con sviluppo di energia. Il grafico della figura permette di conoscere se una data reazione nucleare è o no esotermica e quale energia è sviluppata o assorbita in essa.
#### NUDISMO: V. NATURISMO.