L'atomo

Per poter comprendere il funzionamento di una centrale atomica occorre sapere qualcosa... sull'atomo (chi l'avrebbe mai detto!). Ai nostri scopi non serve sapere molto, se non quali sono le particelle che lo compongono, cos'è il numero atomico e cosa sono gli isotopi. Ma procediamo con ordine.

"Atomo", è una parola che deriva dal greco ἄτομος e vuol dire "indivisibile". In effetti già nell'antica Grecia c'erano alcuni pensatori che ritenevano che la materia non fosse continua, ma discreta e che quindi non si potesse dividere all'infinito perché ad un certo punto si sarebbe arrivati a elementi non più divisibili, gli "atomi", appunto. All'epoca tuttavia non c'era modo di provare che gli atomi effettivamente esistessero, cosa che fu fatta solo in tempi molto più recenti.

In tempi ancora più recenti tuttavia, si è scoperto che gli atomi non sono realmente indivisibili, e anzi il fatto che lo siano è quello che poi rende possibile la produzione di energia nelle centrali atomiche, ma questo lo vedremo in seguito.

Un atomo generico è composto di tre particelle diverse: protoni, neutroni ed elettroni. Come suggerisce la parola stessa, i neutroni sono particelle neutre, ovvero prive di carica. I protoni e gli elettroni, viceversa, hanno rispettivamente carica positiva e carica negativa. I protoni e i neutroni hanno massa e dimensione enormemente più grande di quella degli elettroni, tuttavia la carica elettrica di un protone è esattamente uguale (anche se opposta) a quella di un elettrone. Protoni e neutroni sono ammassati insieme nel nucleo, mentre gli elettroni si muovono in degli "orbitali" a grande distanza. Nonostante si rappresenti spesso l'atomo come un piccolo "sistema solare" in cui il Sole è rappresentato dal nucleo e i pianeti sono gli elettroni, c'è una fondamentale differenza (a parte le dimensioni!) tra i due sistemi: nel caso del sistema solare i pianeti seguono delle orbite ellittiche ben definite, in un atomo gli elettroni non seguono una traiettoria ben precisa, e anzi non si può conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità di un elettrone. L'unica cosa che si può conoscere è una funzione "densità di probabilità", che indica dove è più probabile che si trovi un elettrone. Ma questi discorsi sono argomento di studio della meccanica quantistica, e non è necessario approfondire queste questioni in questa sede.

Il numero atomico (Z) è il numero di protoni (e quindi anche di elettroni, dato l'atomo è neutro e quindi protoni ed elettroni devono essere presenti nella stessa quantità, così da bilanciare reciprocamente le proprie cariche). Questo numero è molto importante giacché è proprio quello che distingue ciascun elemento chimico dall'altro ed è proprio per la sua importanza che gli elementi chimici sono ordinati nella tavola periodica proprio in base al loro numero atomico. L'atomo col numero atomico più piccolo (1) è l'idrogeno. Uno degli elementi più interessanti (se non il più interessante in assoluto) per quanto riguarda l'energia atomica è l'uranio, che ha numero atomico 92 (significa quindi che in un atomo di uranio sono presenti 92 protoni nel suo nucleo e 92 elettroni che si muovono in una nuvola elettronica intorno al nucleo stesso).

Il numero di massa (A) è invece la somma del numero di protoni e di neutroni del nucleo. Esso essenzialmente è una misura della massa dell'atomo. Ovviamente sottraendo al numero di atomico quello di massa si ottiene il numero di neutroni. È interessante notare che mentre il numero atomico è caratteristico di un elemento (l'idrogeno ha sempre un unico protone, se ne avesse due non sarebbe più idrogeno ma un'altra cosa -elio, nello specifico-), il numero di massa (e conseguentemente il numero di neutroni) non lo è: ciascun elemento non ha un numero di neutroni ben definito, e anzi la maggior parte degli elementi è presente in natura con un numero di neutroni variabile. In effetti questo è proprio il concetto di isotopo: due atomi con pari numero atomico ma differente numero di massa sono due isotopi dello stesso elemento e ciascun isotopo si indica col nome dell'atomo seguito dal suo numero di massa. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno comportamento chimico fondamentalmente identico, tuttavia in alcuni ambiti specifici è fondamentale sapere con che isotopi si ha a che fare. Per quanto riguarda l'energia nucleare, nello specifico, sicuramente l'isotopo più interessante è l'uranio-235 (che quindi ha 235-92=142 neutroni), poiché è quello che meglio si presta alle reazioni di fissione che verranno descritte in seguito.

Riassumendo, se si vuole indicare un elemento piuttosto che un altro occorre specificare il suo numero atomico Z, se si vuole distinguere tra i vari isotopi di uno stesso elemento occorre specificare i loro numeri di massa A.