La bomba atomica (o bomba a fissione nucleare) è un ordigno esplosivo appartenente alla categoria delle armi nucleari, la cui energia deriva interamente da una reazione a catena di fissione nucleare. A differenza delle armi termonucleari, che utilizzano anche processi di fusione nucleare, le bombe atomiche sfruttano esclusivamente la fissione di materiali fissili.
Il termine viene talvolta usato nel linguaggio comune per indicare genericamente un'arma nucleare, sebbene in senso tecnico si riferisca ai soli ordigni a fissione. La bomba atomica è considerata un'arma di distruzione di massa e la sua proliferazione è regolata da accordi internazionali, tra cui il trattato di non proliferazione nucleare (TNP)..
Storia Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa-energia, espresso dall'equazione E=mc² prevista nella teoria della relatività ristretta di Albert Einstein. Tale equivalenza generica suggerisce in linea di principio la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì, però, che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea.
Successivamente, si avanzò l'ipotesi che alcune reazioni basate su questo principio potessero effettivamente avvenire all'interno dei nuclei atomici. Il "decadimento" dei nuclei provoca un rilascio di energia. L'idea che una reazione nucleare si potesse produrre anche artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta, in seguito alla scoperta del neutrone. Alcune delle principali ricerche in questo campo furono condotte in Italia da Enrico Fermi"The Manhattan Project. Making the atomic bomb" edito da United States Department of Energy, 1994, p.2; DOE R&D Accomplishments Retirement - DOE R&D Accomplishments is no longer being maintained as a stand-alone search product. However, users will be able to continue to get to the contents of DOE R&D Accomplishments within OSTI.GOV through a minimal number of extra steps. - .
Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti (Enrico Fermi, Leó Szilárd, Edward Teller ed Eugene Wigner) si preoccupò del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939 gli scienziati Fermi e Szilard, in base ai loro studi teorici, persuasero Einstein a scrivere una lettera al presidente Roosevelt per segnalare che c'era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione ed era probabile che il governo tedesco avesse già disposto ricerche in materia. Il governo statunitense cominciò così ad interessarsi alle ricerche.
Enrico Fermi proseguì negli Stati Uniti nuove ricerche sulle proprietà di un isotopo raro dell'uranio, l'uranio-235, fino ad ottenere la prima reazione artificiale di fissione a catena autoalimentata: il 2 dicembre 1942 il gruppo diretto da Fermi assemblò a Chicago la prima "pila atomica" o "reattore nucleare a fissione" che raggiunse la condizione di criticità, costituito da una massa di uranio naturale e grafite disposti in maniera eterogenea.
Pochi mesi prima, nel giugno del 1942, in base ai calcoli eseguiti in una sessione estiva di fisica all'Università della California guidata da Robert Oppenheimer, si era giunti alla conclusione che era teoricamente possibile costruire una bomba che sfruttasse la reazione di fissione a catena. La sua realizzazione tecnica richiedeva però enormi finanziamenti.
Gran parte dell'investimento sarebbe servito per produrre uranio sufficientemente "arricchito" del suo isotopo 235 o una quantità sufficiente di plutonio-239. I calcoli indicavano infatti che per produrre una massa critica occorreva una percentuale di arricchimento, cioè una concentrazione di isotopo fissile, molto più alta di quella necessaria per un reattore nucleare.
La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan). Per produrre i materiali fissili, l'uranio-235 e il plutonio-239, furono costruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell'epoca. I materiali (ad eccezione del plutonio, prodotto nei reattori dei laboratori di Hanford nello stato di Washington, e dell'uranio, prodotto nei laboratori di Oak Ridge) e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto del Nuovo Messico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo, molti dei quali profughi dall'Europa.
La prima bomba al plutonio (nome in codice The Gadget) fu fatta esplodere nel test Trinity il 16 luglio 1945 al poligono di Alamogordo, nel Nuovo Messico. La prima bomba all'uranio (Little Boy) fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba al plutonio, denominata in codice Fat Man, fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945. Questi sono stati gli unici casi d'impiego bellico di armi nucleari, nella forma del bombardamento strategico.
L'Unione Sovietica recuperò rapidamente il ritardo: Stalin attivò la cosiddetta operazione Borodino, che, grazie alla ricerca sovietica e anche all'apporto di spie occidentali, raggiunse inattesi successi. La prima bomba a fissione venne sperimentata il 29 agosto 1949, ponendo così fine al monopolio degli Stati Uniti. Il Regno Unito, la Francia e la Cina sperimentarono un ordigno a fissione rispettivamente nel 1952, nel 1960 e nel 1964. Israele costruì la prima arma nel 1966 e si ritiene che effettuò un test insieme al Sudafrica nel 1979, ma il suo arsenale è tuttora non dichiarato. L'India effettuò il suo primo test nel 1974. Il Pakistan cominciò la produzione di armi nucleari nel 1983 ed effettuò un test nel 1998. La Corea del Nord effettuò un primo test nel 2006. Le testate nucleari, basate sia sul principio della fissione nucleare che della fusione termonucleare, possono essere installate, oltre che su bombe aeree, anche su missili, proiettili d'artiglieria, mine e siluri.
Nel 1955 fu compilato il Manifesto di Russell-Einstein: Russell ed Einstein promossero una dichiarazione, invitando gli scienziati di tutto il mondo a riunirsi per discutere sui rischi per l'umanità rappresentati dalle armi nucleari.
Il Sudafrica, che aveva cominciato la produzione di bombe atomiche nel 1977, è stato l'unico paese a cancellare volontariamente il suo programma nucleare nel 1989, smantellando sotto il controllo dell'AIEA tutte le armi che aveva già costruito.
Descrizione Il funzionamento di questi ordigni si basa sulla reazione di fissione nucleare, un processo di divisione del nucleo atomico, che avviene in un elemento pesante detto fissile, in due o più nuclei di massa inferiore, a seguito della collisione con un neutrone libero. La rottura del nucleo produce a sua volta, oltre a elementi più leggeri, anche alcuni ulteriori neutroni liberi, oltre ad una quantità molto significativa di energia. Se il materiale fissile ha un grado di concentrazione sufficiente ed è in una massa sufficientemente grande, detta "massa critica", i neutroni liberi prodotti a loro volta sono in grado di colpire nuovi nuclei di elemento fissile, producendo una reazione a catena incontrollata che si propaga per tutta la massa di materiale liberando un'immensa quantità di energia in un tempo brevissimo.
La reazione a catena di fissione dei nuclei avviene in forma incontrollata (cioè rapidissimamente divergente) in una massa di materiale fissile, in pratica uranio-235 o plutonio-239, con sufficiente grado di purezza. Il nucleo di questi particolari isotopi, elementi radioattivi e pesanti, non è del tutto stabile: ha la proprietà di poter catturare un neutrone libero che dovesse collidere con esso a velocità sufficientemente bassa. La cattura del neutrone causa uno sbilanciamento del nucleo per cui la vita del nuovo isotopo è brevissima, il nucleo si spezza quasi istantaneamente in più frammenti, che costituiscono nuclei di elementi più leggeri, e libera spesso anche alcuni neutroni liberi, anch'essi sufficientemente lenti da poter essere catturati da nuclei fissili vicini.
Una massa metallica composta interamente, o quasi interamente, da questi atomi, ha la proprietà di generare al suo interno una reazione nucleare a catena, cioè una ripetizione di eventi in cui lo spezzarsi di un nucleo atomico, causato da una collisione con un neutrone libero, rilascia a sua volta neutroni liberi che producono la scissione di ulteriori nuclei di atomi vicini. Il processo si ripete dando luogo a una progressione esponenziale. Ciò avviene solo a condizione che nelle vicinanze di ciascun atomo fissile ci sia un numero sufficientemente alto di altri atomi di isotopo fissile, in modo che la probabilità di ulteriori collisioni sia vicina a 1. Ovvero la massa di materiale fissile deve essere sufficientemente grande (deve contenere un numero sufficientemente grande di atomi) e gli atomi di isotopo fissile devono essere sufficientemente vicini, cioè l'elemento fissile deve avere un elevato grado di purezza, essere cioè sufficientemente "concentrato" (la concentrazione di isotopo fissile in una massa di elemento metallico viene detta arricchimento di tale elemento).
Quando una massa di elemento fissile sufficientemente arricchita è in quantità sufficientemente grande, in questa si produce spontaneamente una reazione nucleare a catena: si dice allora che il materiale supera una certa soglia detta massa critica. In tali condizioni la massa metallica soddisfa le proprietà statistiche che producono il moltiplicarsi rapidissimo di collisioni e fissioni. L'entità esatta della massa critica dipende dalla sua particolare foggia geometrica. La sua purezza deve essere comunque elevata, superiore al 90%.
Nell'istante in cui una massa viene resa supercritica si verifica la reazione a catena, che libera una quantità di energia enorme in un tempo brevissimo. La fissione di un elemento pesante è una reazione nucleare fortemente esotermica. L'esplosione è potentissima per le enormi quantità di energia liberate nelle reazioni nucleari, dell'ordine di milioni di volte superiori a quelle in gioco nelle reazioni chimiche che coinvolgono masse simili.
La reazione a catena incontrollata si differenzia dai processi nucleari a catena che avvengono in un reattore nucleare per la produzione di energia elettrica, per l'andamento del processo rispetto al tempo. In un reattore la reazione nucleare avviene in una massa di materiale fissile che può essere molto grande, ma dove l'elemento è molto meno concentrato. In tali condizioni non si verifica una liberazione di energia rapidissima, la liberazione è più lenta ed è moderata. La reazione in un reattore viene mantenuta sempre al di sotto di parametri di temperatura e di criticità prefissati, in uno stato stabile, ovvero controllato, cioè in cui l'energia viene liberata in modo costante nel corso del tempo senza alcuna possibilità di esplosione.
Nell'uso comune talvolta il nome "bomba atomica" è impropriamente impiegato per altre armi nucleari, di potenza simile o superiore, includendo così anche le bombe che utilizzano l'altro tipo di reazione nucleare, la fusione termonucleare dei nuclei di elementi leggeri.