Il recente e brutale attacco della Russia nei confronti dell’Ucraina e del suo popolo ha riaperto delle paure rimaste nascoste per decenni. La preoccupazione di una escalation, termine tristemente familiare, riguarda l’utilizzo di armi non convenzionali utilizzate contro la popolazione civile. Nel recente passato abbiamo avuto modo di comprendere quale sia il devastante effetto delle armi chimiche utilizzate, in barba a ogni convenzione, contro la popolazione civile. E sulla scorta di quelle devastanti immagini abbiamo iniziato ad avere più paura della guerra.

Negli ultimi giorni il livello del conflitto si è elevato. Da ambedue le parti, indipendentemente dalle valutazioni geopolitiche, viene messa in campo la possibilità di passare a un altro tipo di conflitto, abbandonando di fatto la “concezione convenzionale” della battaglia.

La Russia è una potenza nucleare e, dal suo lato, ha avuto modo di far emergere la possibilità di utilizzare l’arsenale nucleare contro la resistenza Ucraina. Non bisogna essere degli esperti di geopolitica per capire che questa opzione porterebbe sia noi sia il mondo intero all’interno di un conflitto nucleare.

Le conseguenze sarebbero devastanti. Non solo per l’uomo.

Alla base di questa paura vi è un concetto scientifico, che abbraccia tanto la chimica quanto la fisica: l’energia.

La potenza del nucleare

Le armi nucleari sono potenti perché sono capaci di liberare un quantitativo enorme di energia attraverso le cosiddette reazioni nucleari. A differenza delle armi tradizionali, nelle quali l’energia è conservata nei legami chimici, il quantitativo di energia che si sprigiona da una reazione nucleare è di gran lunga superiore. Per questo motivo la capacità distruttiva di una testata nucleare è spaventosamente più grande rispetto a qualsiasi altra bomba mai creata prima.

Per comprendere quanta energia possa sviluppare un’arma atomica dobbiamo fare un passo indietro e illustrare un paio di concetti.

Energia e massa

La definizione classica di energia prevede che essa sia la “capacità di compiere un lavoro”. Utilizziamo l’energia per muovere i muscoli, per pensare e per riscaldare l’acqua. La massa è invece la quantità di materia contenuta all’interno di un corpo. Nel corso dei decenni, energia e massa, sono state viste come due “entità” diverse tra loro. Con l’avvento dei primi approcci relativistici si è ipotizzato che vi fosse una correlazione tra essi, rivoluzionando di fatto il concetto di fisica classica.

Secondo Einstein energia e massa si equivalgono. Da un punto di vista relativistico esiste una correlazione diretta tra l’energia e la massa. Questo rapporto è riassunto nella celebre equazione:

e = mc²

Dove e rappresenta l’energia relativistica, m la massa relativistica e c la velocità della luce nel vuoto. Il valore di c ha due importanti caratteristiche: è costante e rappresenta una grandezza molto grande poiché equivale a 299792458 m/s.

Esatto: la luce viaggia a circa 300 milioni di km al secondo! Nell’equazione di Einstein questo valore è elevato al quadrato e moltiplicato alla massa. Appare subito chiaro che l’energia che deriva è molto elevata, anche con valori di massa trascurabili.

Energia di legame ed energia nucleare

Il confronto tra energia di legame ed energia nucleare permette di definire una netta separazione tra il tipo di armi convenzionali, che si basano sulla detonazione di materiale esplosivo e, dall’altra parte, armi a fissione oppure termonucleari. Nonostante vi siano delle differenze tecniche tra qualsiasi strumento bellico il principio alla base degli strumenti di offesa è identico: la liberazione di energia.

L’energia nei legami

I legami possiedono la cosiddetta energia di legame, che rappresenta il valore di energia necessario per rompere il legame stesso. Questa energia varia da molecola a molecola. Per rompere un legame è necessario fornire energia, ad esempio sotto forma di calore.

L’energia nell’atomo

L’energia di legame nucleare è l’energia che mantiene il nucleo stabile. In linea generale, gli elementi a largo numero di protoni e neutroni (tra i quali figurano i combustibili nucleari) sono molto instabili.

Nelle armi convenzionali, la detonazione è un processo che avviene in due fasi: nella prima è necessario fornire un quantitativo di energia all’esplosivo durante la fase di innesco. Le molecole che formano il combustibile diventano ancora più instabili e tende a frammentarsi in altre molecole o atomi elementari. La formazione di nuove molecole è il momento nel quale avviene la liberazione di energia.

Esistono diversi tipi e miscele di esplosivo, che hanno caratteristiche diverse. Storicamente, si utilizza come riferimento il cosiddetto trinitrotoluene (o TNT). Il TNT è una molecola aromatica formata da un anello benzenico sostituito da un metile e tre gruppi nitrili. La sua formula chimica è:

C₇H₅N₃O₆

A titolo di esempio l’esplosione un grammo di TNT può fornire circa 4.18 kJ di energia. Un valore molto piccolo che deriva dalla formazione di molecole stabili sia a carattere gassoso (monossido di carbonio e azoto), sia liquido (acqua) sia solido (carbonio).

L’utilizzo di un grammo di uranio, uno dei combustibili che alimentano le armi nucleari, produce un quantitativo molto diverso, nell’ordine di diverse decine di miliardi di kJ per grammo di esplosivo. Appare subito chiaro che, in termini di liberazione di energia, gli armamenti non convenzionali hanno un potere di gran lunga più devastante rispetto alle armi convenzionali.

Da dove viene questa energia? Prendiamo ad esempio uno dei due casi di innesco nucleare: la fissione.

Fissione nucleare

Nella fissione nucleare un atomo viene scisso in due almeno due atomi. Il risultato diretto è che la massa iniziale dell’atomo è “frammentata” in almeno due atomi.

Torniamo all’esempio dell’uranio. La tabella sottostante schematizza il processo di fissione di un atomo di uranio.

	Reagente	Prodotto	Prodotto	Prodotto
Elemento	U	Ba	Kr	2 n
Massa (in uma)	235.0439	138.9088	93.9343	2 x 1.0087

Da un equivalente di uranio (reagente) si formano bario, krypton e due neutroni. Nella tabella appena proposta sono riportate le masse degli elementi che si formano a seguito della fissione. Appare subito chiaro che la somma delle masse dei prodotti è diversa dalla massa del reagente poiché equivale a 234.8605uma. Dalla sottrazione risulta che mancano 0.1834uma. Che fine hanno fatto?

In accordo all’equazione di Einstein si sono trasformati in energia.

La fissione di un grammo di uranio libera un enorme quantitativo di energia. Convertendo i grammi in kilogrammi, con una buona approssimazione della velocità della luce, è possibile stabilire quanta energia viene liberata attraverso la semplice equazione:

e = (-0.0001834 kg) · (3 · 10⁸ m/s)² = -1.65 · 10¹⁰ kJ

Un grammo di uranio fornisce, dopo un evento di fissione nucleare, 1.65 decine di miliardi di joule! Questa rappresenta una quantità molto elevata di energia. Lo è ancora di più tenendo conto che nelle testate atomiche il quantitativo di combustibile si attesta tra i 3kk e i 7kg.

Fusione nucleare

Nella fusione nucleare due elementi “leggeri”, con numero atomico normalmente inferiore a 26, sono compressi da una esplosione in modo da fondersi tra loro. La massa del prodotto è inferiore alla massa dei reagenti e, come nel caso della fissione nucleare, la massa mancante è trasformata in energia. La reazione di fusione nucleare si definisce “esotermica” poiché riversa verso l’esterno dell’energia.

La bomba a idrogeno sfrutta il principio di fusione nucleare. L’innesco è determinato da una forte esplosione che libera calore. Il calore, a sua volta, genere la pressione che comprime l’idrogeno e porta alla formazione di nuclei di deuterio e di trizio, chiamati anche con il termine di isotopi dell’idrogeno. Questo tipo di testata prende il nome di bomba termonucleare poiché l’innesco deriva dal brusco innalzamento di pressione e di temperatura.

Detonazione atomica: calore, luce e radiazioni

Indipendentemente dal tipo di alterazione nucleare, per fissione o per fusione, cosa avviene dopo la detonazione? L’energia si trasforma quasi immediatamente in calore, luce e radiazioni. Questi processi rappresentano una seria minaccia, spesso letale, per qualsiasi forma di vita.

Calore

Pochi millesimi di secondo dopo l’innesco, nella zona di detonazione, la temperatura può raggiungere diverse centinaia di migliaia di gradi centigradi. L’onda di calore viene propagata in ogni direzione e, di fatto, brucia tutto ciò che c’è nel raggio di diverse centinaia di km.

La palla di fuoco (o fireball) rappresenta una miscela di aria e di gas in rapida espansione che raggiunge decine di migliaia di gradi centigradi anche a considerevoli distanze. Nei pressi della detonazione, qualsiasi sistema biologico cessa immediatamente di esistere poiché viene immediatamente carbonizzato dalle temperature estreme. Il calore, anche a distanza, può ferire gravemente l’uomo poiché provoca sul corpo lesioni gravissime: le ustioni. Qualsiasi ustione rompe l’integrità della cute ed espone l’organismo all’ingresso di patogeni, di tossine e di materiale radioattivo. In poco tempo è possibile sviluppare infezioni e morire di setticemia.

Subito dopo l’esplosione, i gasi incandescenti tendono a salire, formando il cosiddetto fungo atomico. Questa struttura può innalzarsi per diverse decine di km e porta con sé il materiale radioattivo derivante dalla detonazione.

Onda d’urto

Il calore porta alla formazione della cosiddetta onda d’urto, che rappresenta una brusca variazione della pressione dell’aria con conseguente flusso di movimento. Gli edifici, anche in cemento armato, sono molto instabili se sollecitati a variazioni di pressione e possono crollare. Inoltre, i detriti possono essere trasportati dall’onda d’urto e diventare pericolosi esattamente come se si comportassero da proiettili. L’onda d’urto si propaga velocemente ed è la responsabile dei crolli delle strutture e degli edifici in genere.

L’esposizione a una brusca variazione di pressione non è letale per l’uomo. La maggior parte delle persone vengono ferite, anche letalmente, dal crollo delle strutture o dall’impatto di oggetti proiettati con grande velocità.

Luce

L’emissione di luce è tipica di qualsiasi esplosione. In pieno giorno, la detonazione nucleare, sarebbe pienamente visibile anche a centinaia di km. La luce danneggia in modo reversibile la retina, poiché dentro di essa molte strutture sono estremamente sensibili all’esposizione di radiazione visibile e non visibile. La cecità è, normalmente, temporanea e può durare da poche ore a diversi giorni.

Radiazioni e fallout radioattivo

Le radiazioni rappresentano un potente, e invisibile killer. Non sono né visibili né direttamente percepibili se non attraverso l’utilizzo di precisi strumenti, che rientrano nella categoria dei “contatori geiger”. In una detonazione non convenzionale sono prodotte in due fasi specifiche: la fase iniziale e la fase residuale.

Nella fase iniziale, l’esplosione nucleare genera elementi instabili che, a loro volta, emettono radiazioni. Durante l’esplosione, in un arco che varia da decine di secondi a qualche minuto, sono costantemente emesse radiazioni sotto forma di raggi gamma e raggi di neutroni. Queste radiazioni sono capaci di penetrare la maggior parte degli oggetti.

Nella fase residuale, il materiale radioattivo di ricaduta (fallout) o proiettato tramite l’onda d’urto, continua a emettere radiazioni di qualsiasi tipo. La cosiddetta polvere radioattiva rimane sospesa nell’aria, contamina le falde acquifere e in modo silente altera la vita di qualsiasi organismo sia a essa esposto.

Tipi di radiazione e avvelenamento da radiazioni

L’avvelenamento da radiazioni o sindrome da radiazione acuta rappresenta il quadro sintomatologico che si mostra a seguito di esposizione a materiale radioattivo. Non tutte le radiazioni hanno la stessa forza poiché ne esistono diversi tipi. Tuttavia il comportamento delle radiazioni, indipendentemente dal tipo, è uguale per metodo e per effetto.

Una radiazione è definita ionizzante qualora riesca a caricare elettricamente un atomo oppure sia capace di rompere un legame intramolecolare. I materiali radioattivi che si liberano dopo una esplosione atomica liberano radiazioni ionizzanti di diverso tipo.

Tipo	Forza	Pericolosità
Raggi alpha	Debolissima	Bloccati da un sottile strato di tessuto. Sono pericolosi se ingeriti.
Raggi beta	Deboli	Bloccati da strati sottili formati di materiale ad elevato numero atomico: pochi millimetri di alluminio bloccano totalmente il passaggio. Pericolosi se ingeriti o se la cute ne venisse irradiata.
Raggi gamma	Forti	Bloccati da lastre di piombo. Penetrano attraverso i muri.
Raggi di neutroni	Forti	Bloccati da elementi densi.

Le radiazioni operano in due modi distinti: uno immediato e uno latente. Nell’immediato, il metabolismo viene alterato e si osservano episodi di malessere, affaticamento, vomito ed emorragie. Gli effetti a lungo termine delle radiazioni, coinvolgono il DNA con la comparsa di alterazioni più o meno gravi dei cromosomi, sviluppo di tumori (specialmente il cancro alla tiroide), e alterazioni della capacità riproduttiva.