Il processo per cui un atomo si spezza dando due atomi, particelle subatomiche ed energia si chiama fissione[E] [I1] nucleare.

Sul tale processo si basano sia le armi nucleari sia le centrali nucleari ed ha quindi molta importanza teorica e sociale.

Una reazione di fissione è schematizzabile come segue:

dove con n abbiamo indicato un neutrone. Avvengono tre fenomeni: a) l’atomo si spezza in due; b) si libera energia; c) si liberano tre neutroni. La differenza sostanziale che distingue la fissione dalle altre reazioni nucleari è che i due nuclei risultanti hanno numeri atomici lontani da quello originario e le masse dei due frammenti risultano dello stesso ordine di grandezza.

Facendo opportuni calcoli si può dimostrare che la energia liberata nella fissione di un solo nucleo di uranio–235 equivale a 203 Mev (mega–elettronvolt). Questo per ogni processo di fissione: si tratta di una quantità di energia veramente enorme, corrispondente a circa 20 milioni di kcal per grammo di uranio trasformato, che è la quantità di energia ricavabile dalla combustione di circa due tonnellate di petrolio.

Abbiamo visto che ad ogni atto elementare di fissione si rendono liberi due o tre neutroni; questi neutroni, interagendo con altri nuclei, possono provocare altre fissioni e così la reazione procede con meccanismo a catena. Ma Perché questo possa avvenire è necessario che dei neutroni originati da un singolo atto di fissione almeno uno, in media, possa produrre un’altra fissione e non sfugga dalla massa del materiale fissile senza aver sortito questo risultato, perché altrimenti la reazione si arresterebbe. Questa condizione si realizza solo se la massa del materiale fissile supera un determinato valore critico: allora la reazione a catena si mantiene da sé. Se essa avviene in condizioni tali che il numero dei neutroni attivi si moltiplica col procedere degli atti individuali di fissione, la sua velocità aumenta rapidissimamente così da renderla esplosiva: è ciò che avviene nella bomba atomica. Introducendo nella massa del materiale fissile degli adatti assorbitori di neutroni (barre di cadmio o d’altro materiale) si può controllare la velocità del processo e mantenerla entro i limiti voluti per potere convenientemente sfruttare il calore sviluppato: è in queste condizioni controllate che si fa avvenire la reazione di fissione nei reattori nucleari.

Fusione è detto il processo di combinazione di due nuclei molto leggeri, che, appunto fondendosi l’uno con l’altro, danno origine ad un nucleo più pesante.

Questo processo è accompagnato dalla liberazione di una quantità di energia straordinariamente alta, assai più di quella sviluppata nelle reazioni di fissione; due importanti reazioni di fusione sono le seguenti:

La fusione però può realizzarsi solo se I nuclei reagenti, di deuterio (H) e di trizio (H), hanno un’energia cinetica, quando entrano in collisione, sufficientemente alta da poter vincere la fortissima, reciproca repulsione colombiana e per questo è necessario portarli a temperature straordinariamente elevate, di decine o addirittura di centinaia di milioni di gradi. In tali condizioni gli atomi sono ionizzati e il gas è formato da una miscela di ioni positivi e di elettroni negativi, ossia è allo stato di plasma: per l’altissima temperatura esso non può venire in contatto con pareti solide, perché nessun materiale potrebbe resistere; perciò deve essere costretto nel volume di reazione mediante potenti campi magnetici e per questo motivo vi sono ancora notevoli problemi tecnologici ancora irrisolti.

I processi di fusione presentano grandi vantaggi rispetto a quelli di fissione. Mentre l’uranio fissionabile esistente in natura non è inesauribile, questo problema non si pone per il deuterio. In un Km³ di acqua di mare vi è una quantità di deuterio sufficiente per ottenere la stessa quantità di energia che si può ottenere sfruttando tutti i giacimenti conosciuti di petrolio. Dal deuterio contenuto in un solo litro di acqua di m are possiamo ottenere la stessa quantità di energia che possiamo avere dalla combustione di 300 litri di benzina.