Chimica senza limiti

Acceleratore di particelle

Un acceleratore di particelle è un dispositivo che utilizza campi elettromagnetici per spingere particelle cariche ad alte velocità all’interno di fasci ben definiti.

Un acceleratore di particelle è un dispositivo che utilizza campi elettromagnetici per spingere particelle cariche ad alte velocità e per contenerle in fasci ben definiti. Mentre gli attuali acceleratori di particelle si concentrano sulla frantumazione di particelle subatomiche, i primi acceleratori di particelle frantumavano insieme interi atomi, inducendo la fusione nucleare e quindi la trasmutazione nucleare.

La trasmutazione nucleare è la conversione di un elemento chimico o isotopo in un altro. In altre parole, gli atomi di un elemento possono essere trasformati in atomi di un altro elemento per trasmutazione. Questo avviene sia attraverso reazioni nucleari in cui una particella esterna reagisce con un nucleo, che può essere fornito da un acceleratore di particelle, o attraverso il decadimento radioattivo, dove non è necessaria alcuna particella esterna.

Storia della trasmutazione nucleare

Il termine trasmutazione risale all’alchimia. Gli alchimisti cercavano la pietra filosofale, capace di trasformare i metalli di base in oro. L’impossibilità della trasmutazione metallica era stata discussa tra alchimisti, filosofi e scienziati fin dal Medioevo. Nel XVIII secolo, Antoine Lavoisier sostituì la teoria alchemica degli elementi con la moderna teoria degli elementi chimici, e più tardi John Dalton sviluppò ulteriormente la nozione di atomi per spiegare vari processi chimici. La disintegrazione degli atomi è un processo distinto che coinvolge energie molto più grandi di quelle che potevano essere raggiunte dagli alchimisti.

La trasmutazione nucleare fu applicata per la prima volta consapevolmente alla fisica moderna da Frederick Soddy quando, insieme a Ernest Rutherford, scoprì che il torio radioattivo si trasformava in radio nel 1901. Al momento della realizzazione, Soddy ricordò più tardi, gridò: “Rutherford, questa è trasmutazione!” Rutherford rispose di scatto: “Per l’amor di Dio, Soddy, non chiamarla trasmutazione. Ci faranno tagliare la testa come alchimisti.”

Acceleratori di particelle

Ci sono due classi fondamentali di acceleratori: gli acceleratori elettrostatici e quelli a campo oscillante. Gli acceleratori elettrostatici usano campi elettrici statici per accelerare le particelle. Un esempio su piccola scala di questa classe è il tubo catodico in un comune, vecchio televisore. Altri esempi sono il generatore di Cockcroft-Walton e il generatore di Van de Graaf. L’energia cinetica ottenibile per le particelle in questi dispositivi è limitata dalla rottura elettrica. Gli acceleratori a campo oscillante, invece, usano campi elettromagnetici a radiofrequenza per aggirare il problema della rottura. Questa classe, il cui sviluppo è iniziato negli anni ’20, è la base di tutti i moderni concetti di acceleratori e strutture su larga scala. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst ed Ernest Lawrence sono considerati pionieri del campo, concependo e costruendo il primo acceleratore di particelle lineare operativo, il betatron, e il ciclotrone.

Poiché gli acceleratori possono dare prove sulla struttura del mondo subatomico, gli acceleratori sono stati comunemente chiamati spacca atomi nel XX secolo. Nonostante il fatto che la maggior parte degli acceleratori (con l’eccezione degli impianti a ioni) propulsano effettivamente particelle subatomiche, il termine persiste nell’uso popolare quando ci si riferisce agli acceleratori di particelle in generale.

Fermi National Accelerator Laboratory: Foto aerea del Tevatron al Fermilab, che assomiglia a un otto. L’acceleratore principale è l’anello sopra; quello sotto (circa la metà del diametro, nonostante le apparenze) è per l’accelerazione preliminare, il raffreddamento e lo stoccaggio del fascio, ecc.

Prevedere i prodotti della trasmutazione è come prevedere i prodotti del decadimento radioattivo. È importante assicurarsi che la massa atomica totale e i numeri atomici di entrambi i lati dell’equazione rimangano uguali.