I pionieri della fisica atomica e nucleare (1895

LE GRANDI RIVOLUZIONI DELLA FISICA MODERNA
I pionieri della fisica atomica e
nucleare (1895-1945) :
50 anni che sconvolsero la fisica.
Franco Tonolini
Presidente della Fondazione Livia Tonolini
per la Didattica e la Divulgazione delle Discipline Scientifiche
Fonti delle immagini:
• I grandi della scienza, Le Scienze, Personaggi e scoperte della fisica contemporanea di Emilio Segrè, La scoperta
delle particelle subatomiche di Stefan Weinberg, Fisica a temi di Franco Tonolini
1
LO STATO DEI LABORATORI E DELLE RICERCHE DI FINE SECOLO XIX
•I tentativi di catturare l’elettricità e lo studio delle scariche elettriche nei gas dei
tubi catodici
•Le difficoltà nel produrre un buon vuoto nei tubi catodici
•I primi rudimentali trasformatori della tensione elettrica
•La disponibilità di sostanze fluorescenti e fosforescenti
ASSIOMI E DISPUTE DI FINE SECOLO XIX
•La continuità delle grandezze e dei fenomeni fisici: la natura non procede per salti
•La materia è stabile e immutabile
•Le radiazioni sono onde
•Il tempo e lo spazio sono assoluti
•Determinismo e causalità
•L’atomo, se esiste, è indivisibile
2
DICEMBRE 1895. LA SCOPERTA DEI RAGGI X
Wilhelm Rötgen(1845-1923).Premio Nobel per la fisica
(1901). Università di Wurzburg (Baviera).
Effettua esperimenti sulla
fluorescenza prodotta dai
raggi catodici. Nel corso di
questi esperimenti scopre
una radiazione penetrante
che attraversa la carta nera
che aveva avvolto al tubo
catodico e addirittura la
sua mano, proiettandone
l’ombra su uno schermo
fluorescente. La radiazione
viene chiamata raggi X.
Un rudimentale tubo per lo studio dei raggi catodici
3
La prima
radiografia X
di corpo
umano
(mosaico),
Agosto 1896
Radiografia della mano, dicembre 1895
Radiografia del fucile da caccia di Rötgen, dicembre 1895
4
FEBBRAIO 1896. LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’NATURALE
Henri Becquerel (1852-1908). Premio Nobel per la fisica con i
coniugi Curie (1903). Ecole Polytecnique.
Venuto a conoscenza della scoperta dei raggi X, vuole
verificare se la radiazione di fluorescenza eccitata dalla
luce solare su un campione di composto di uranile
contiene raggi X.
Avendo depositato la lastra fotografica in un cassetto trova
la lastra impressionata intensamente da una radiazione
emessa dall’uranile.
La radiazione viene chiamata raggi Becquerel.
La lastra impressionata dai raggi Becquerel
5
1897. SCOPERTA DELL’ELETTRONE
Joseph John Thomson(1856-1940). Premio Nobel per la fisica
(1906). Cavendish Laboratory di Cambridge.
Thomson sospetta che i raggi catodici siano particelle con
carica elettrica. Lo dimostra facendo deviare i raggi
catodici in campi elettrici e magnetici.
Misura il rapporto tra la carica elettrica e la massa di
queste particelle e la trova 1846 volte quella del
medesimo rapporto dello ione di idrogeno ottenuto già da
Farady nel 1832.
La deviazione del fascio catodico risulta molto grande.
Dunque carica elevata o massa piccola?
Viene adottata l’ipotesi di massa piccola e carica uguale e
di segno opposto a quella dello ione di idrogeno.
Schemi di tubi catodici utilizzati da Thomson
6
1898. SEPARAZIONE DI ELEMENTI RADIOATTIVI DAL MINERALE URANIO
Maria Sklodowska Curie (1867-1934) e Pierre Curie(18591906). Premi Nobel per la fisica (1903). A Marie Curie viene
assegnato anche un premio Nobel per la chimica(1911).
Ecole de Physique et de Chimie.
I coniugi Curie ripetono gli esperimenti di Becquerel.
Dal minerale contenente uranio ricavano, mediante
reazioni chimiche, il polonio, il radio , il torio.
Nasce la radiochimica.
Verificano che gli elementi radioattivi decadono con
tempi caratteristici degli elementi.
Marie e Pierre Curie nel loro laboratorio
7
8
1898. SCOPERTA DEI RAGGI BETA E ALFA
Ernest Rutherford(1871-1937). Premio Nobel per la fisica (1908).
Dalla Nuova Zelanda all’Inghilterra, al Canada, di nuovo in Inghilterra.
Al Cavendish Laboratory di
Cambridge, come allievo di
Thomson, segue l’evoluzione
delle ricerche e inizia a
occuparsi di radioattività.
Utilizzando i campi magnetici
che deflettono diversamente
le particelle cariche di
diversa massa scopre che le
radiazioni emesse dalle
sostanze radioattive sono di
tre tipi : alfa(α), beta(β) e
gamma(γ).
Rutherford ventenne
9
1899-1906. CARATTERIZZAZIONE DELLE EMISSIONI RADIOATTIVE
Rutherford lascia il Cavendish e si trasferisce in Canada per coprire
la cattedra di fisica alla McGill University di Montreal.
Scopre i gas radioattivi(radon ed emanazione torio).
Stabilisce, attraverso la misura del rapporto carica/massa, che la
particella alfa è l’atomo di elio ionizzato.
Determina la legge del decadimento radioattivo.
∆N = − λN
N (t ) = N ⋅ e
dove
T=
0 , 693
− T
0,693
λ
Andamento del decadimento radioattivo nel tempo
10
1900.L’ORIGINE DELLA MECCANICA QUANTISTICA: IL QUANTO DI AZIONE
Max Planck(1858-1947).
Monaco,Berlino,Gottinga.
Per interpretare i fenomeni di assorbimento
ed emissione di radiazioni del corpo
nero,Planck postula che l’energia
elettromagnetica può presentarsi in forma
granulare e quindi non continua ma discreta.
La radiazione elettromagnetica può essere
pensata come costituita da piccoli pacchetti
di energia inizialmente chiamati quanti e poi
fotoni. Ciascun pacchetto trasporta una
quantità di energia proporzionale alla
frequenza associata alla radiazione. Planck
postula che:
E = hν
con h= 6,63j·s , che stabilisce una relazione
tra energia e frequenza di una radiazione.
11
1903. IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON
Max Planck(1858-1947).
Monaco,Berlino,Gottinga.
Thomson immagina l’atomo come costituito
da una sfera di carica elettrica positiva
distribuita uniformemente in tutto il volume
dell’atomo.
Gli elettroni sono disseminati nel volume
come i semi di un cocomero.
Dunque la carica negativa è discreta mentre
quella positiva è continua ? ! !
12
1905-1907. LE FORMULE CHE CAMBIARONO IL MONDO
Albert Einstein(1879-1955). Premio Nobel per la fisica per l’interpretazione
dell’effetto fotoelettrico (1921-22).
Ulm , Monaco , Zurigo,……Princeton.
Da impiegato di terza categoria
dell’Ufficio Brevetti di Berna pubblica
la teoria della relatività ristretta.
Sulla base della teoria dei quanti
interpreta l’effetto fotoelettrico
proponendo che la luce si comporti
come una particella di energia cioè
come un fascio di fotoni.
E = mc 2
m=
m0
v2
1− 2
c
All’ufficio brevetti
A Princeton
13
1907-1911. IL MODELLO PLANETARIO A NUCLEO DELL’ATOMO DI RUTHERFORD
Rutherford lascia la cattedra di Montreal per assumere
quella di Manchester.
Qui realizza la famosa esperienza della diffusione delle
particelle alfa da parte di una sottile lamina di oro. Le
particelle vengono rivelate dalle scintillazioni prodotte su
uno schermo fluorescente.
Dai dati dell’esperienza conclude che l’atomo è costituito
da un nucleo di diametro circa 10000 volte più piccolo di
quello dell’atomo.
Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva
dell’atomo e quasi tutta la sua massa. Gli elettroni
rivoluzionano attorno al suo nucleo su orbite a distanze
molto grandi rispetto alle dimensioni del nucleo.
La maggior parte del volume dell’atomo è dunque vuota.
14
1907-1911. IL MODELLO PLANETARIO A NUCLEO DELL’ATOMO DI RUTHERFORD
15
1911. GLI ISOTOPI DI UN ELEMENTO
Il fisico Soddy collaboratore di Rutherford in Canada esegue una ricerca
sistematica sui prodotti radioattivi e conia il termine isotopo(stessa
posizione nella tavola periodica degli elementi).
Si tratta di atomi aventi le stesse caratteristiche chimiche ma differenti
caratteristiche fisiche.
I nuclei di atomi isotopi hanno lo stesso numero atomico Z e differente
numero di massa.
Esempi:
idrogeno 1, idrogeno 2, idrogeno3; uranio 233,uranio 235, uranio 238.
16
1909-1913. IL QUANTO DI ELETTRICITA’
Robert Millikan(1868-1953). Premio Nobel per la fisica (1923)
Universita’ di Chicago, California Institute of Technology (Pasadena)
In una serie di esperimenti durati quasi 5 anni, Millikan
determina con precisione la carica dell’elettrone e quindi dal
rapporto carica/massa di Thompson anche la massa.
Il risultato fondamentale sta però nel fatto che tutte le
cariche osservate sono multiple intere di una carica
elementare, l’elettrone, che rappresenta il quanto di
elettricità.
L’esperimento consiste nel lasciare cadere goccioline di olio
elettrizzate in un campo elettrico applicato tra due piastre.
Dalla misura della velocità di caduta delle goccioline e del
campo elettrico applicato per fermarle, Millikan determina le
carche elettriche delle goccioline.
Il sottomultiplo più piccolo è la carica dell’elettrone.
Dalle misure risulta
e = 1,5966 ⋅10 -19 C
m = 9,109389 ⋅ 10 -31 kg
17
1913. IL MODELLO QUANTISTICO DELL’ATOMO
Niels Bohr (1885- 1962).Premio Nobel per la fisica (1922).
Copenhagen, Manchester,Copenhagen ( Palazzo Calsberg ),
Los Alamos, Copenhagen.
Bohr parte dal modello atomico di Rutherford . Ma pone tre
condizioni di contestazione della meccanica classica.
-gli elettroni delle orbite dell’atomo non irraggiano;
-i valori dei “raggi “ delle orbite sono quantizzati e quindi gli
stati di energia sono quantizzati.
r = n 2 a0
E=−
1
E0
n2
Per l’idrogeno
E0 = −13,6eV
18
1913. IL MODELLO QUANTISTICO DELL’ATOMO
-la radiazione viene emessa e assorbita attraverso
transizioni tra gli stati di energia quantizzati .
Per questo Bohr utilizza il quanto di Planck.
E n − E 0 = hν
Bohr e Fermi durante una pausa
del congresso di Roma del 1931
E’ possibile spiegare ora completamente la
natura dei raggi X
Nel 1920 Bohr ipotizza l’esistenza del neutrone
Caso dell’atomo di idrogeno
19
1917. SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE : LE REAZIONI NUCLEARI
Rutherford ottiene con un fascio di particelle
14
7N
14
7
α la prima reazione nucleare.
+ 24He + + =178O +11H
N (α , p)
17
8
O
La trasmutazione della materia
20
1924. IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLE PARTICELLE E IL
DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO.
Louis Victor de Broglie (1892-1987) Premio Nobel per la fisica (1929)
Università di Parigi.
Come si era osservato che una radiazione
elettromagnetica aveva manifestazioni corpuscolari, così
si poteva supporre che una particella potesse avere
comportamenti ondulatori.
Sulla base delle teorie di Einstein e Planck, de Broglie
postula che :
h
λ=
mv
dove λ è la lunghezza d’onda associata alla particella di massa m e di velocità v e
h è la costante di Planck. Tutte le particelle possono avere un comportamento
ondulatorio purchè la loro quantità di moto sia tale che landa sia confrontabile con
il passo del reticolo di diffrazione. Possiamo avere diffrazione con gli elettroni
(microscopio elettronico) e con neutroni termici ( nei cristalli).
21
1927. IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE
Werner Heisenberg (1901-1976) Premio Nobel per la fisica (1933).
Università di Monaco, Copenhagen, Lipsia, Monaco.
Il principio di indeterminazione stabilisce la relazione dei
gradi d’ incertezza nella determinazione dei valori di
grandezze fisiche tra loro complementari.
Per esempio : la posizione e la quantità di moto,
l’energia e l’intervallo di tempo.
La misurazione di una grandezza fisica perturba il suo
stato microscopico.
∆p ⋅ ∆x ≥
h
2π
22
1930 IPOTESI DELL’ANTIMATERIA
Paul Adrian Dirac (1902-1984) Premio Nobel per la fisica con
Schrodinger (1933)
Da Bristol e Cambridge alle Università USA (Wisconsin, Michigan,
Princeton).
Dirac suggerisce l’esistenza di particelle di antimateria :
antielettrone (positrone), antiprotone, ….
Particelle tra loro antagoniste e simmetriche.
Il processo di annichilimento
me
+
+ me
−
= hν
Il processo di materializzazione o produzione di coppia di particelle.
hν = me
+
+ me − + E
Nel 1934 Anderson rivelò i positroni nella radiazione cosmica.
23
1928-1930 RICERCHE SULLA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE
Frédéric Joliot (1900-1958) e Iréne Curie
(1897-1956).
Premi Nobel per la Fisica nel 1935.
I coniugi effettuano una intensa ricerca
sulla radioattività artificiale prodotta da
reazioni nucleari.
Poco dopo la scoperta di Anderson, nel
corso dei loro esperimenti sulle reazioni
nucleari, osservano l’emissione di
positroni
NEUTRONE?
10
5
B + α → N +?
13
7
N →136 C + e + + ν
13
7
POSITRONE
24
1932. LA SCOPERTA DEL NEUTRONE
James Chadwick (1891-1974).
Manchester, Cambridge,Liverpool.
Scopre che il berillio bombardato con
particelle
9
4
α emette neutroni.
Be + α →126C + n
La camera di misura con cui
Chadwick scoprì il neutrone
25
LA CADUTA DEGLI ASSIOMI DI FINE SECOLO XIX
•La natura procede per salti (Planck)
•I dati spazio e tempo sono relativi (Einstein)
•La materia è energia congelata (Einstein)
•L’indivisibile è divisibile (Curie, Rutherford, Bohr)
•La materia, l’energia, la carica elettrica sono discontinue (Rutherford, Bohr, Millikan)
•L’apparente stabile è in costante movimento e trasformazione (la scuola atomica)
•L’instabilità della materia e la radioattività (Becquerel, Curie)
•La trasmutazione della materia (Rutherford)
•Il dualismo onde-corpuscoli (De Broglie)
•L’indeterminismo e la probabilità (Heisenberg)
•L’antimateria (Dirac, Anderson, Curie)
ATTENZIONE!
Pericolo di crollo. Chiuso temporaneamente per radicali lavori di ricostruzione
(Arnold Sommerfeld)
26
1933 IL TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI β
Enrico Fermi (1901-1954) Premio Nobel per la Fisica (1938)
Roma, Columbia University, Chicago University, Los Alamos, Chicago University.
Fermi fu contemporaneamente, caso piuttosto raro, un
brillante fisico teorico, uno straordinario
ricercatore sperimentale e un grande e tenace realizzatore.
Egli diede infatti rilevanti contributi alla termodinamica, alla
statistica, alla teoria del decadimento β,
alla fisica atomica e molecolare, alla fisica dei neutroni, alla
creazione del primo reattore nucleare, alla
fisica delle alte energie.
Fermi diede la prima interpretazione del decadimento β e
ipotizzò il primo modello del nucleo, supponendo che il
neutrone e il protone potessero essere instabili.
n → p + + e− + ν
p + → n + e+ + ν
Enrico Fermi con la futura
moglie Laura nel 1924
27
I CANALI DI DISINTEGRAZIONE DEI NUCLEI
Possiamo ora dare una interpretazione delle modalità di
disintegrazione delle speci radioattive naturali
28
I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA
In via Panisperna a Roma, sotto la direzione del prof. Mario
Corbino, si era formato un gruppo di eccezionali ricercatori,
detti “I ragazzi di via Panisperna”: Edoardo Amaldi, Oscar
D’Agostino, Enrico Fermi, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti,
Emilio Segrè.
29
1934 I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA: LA FISICA DEI
NEUTRONI
La scoperta del neutrone a nome di
Chadwick diede a Fermi l’idea di
utilizzare i neutroni come proiettili per
la produzione di radioattività artificiale.
I ragazzi iniziarono una ricerca
sistematica sulla radioattività indotta
dai neutroni su un gran numero di
elementi della tavola periodica.
I neutroni erano molto più efficienti,
nell’indurre reazioni nucleari, delle
particelle alfa impiegate dagli altri
ricercatori europei. Ma la grande
scoperta fu che i neutroni, rallentati
dall’acqua o dalla paraffina (sostanze
ad alto contenuto di idrogeno) erano
enormemente ancor più efficienti dei
neutroni veloci.
Per questa scoperta (settembre 1934)
e per la sua interpretazione, fu
assegnato a Fermi il premio Nobel.
30
1938 LA SCOPERTA DELLA FISSIONE NUCLEARE
Per un soffio i ragazzi di Panisperna
mancarono la scoperta della fissione
del nucleo. L’uranio sottoposto a
bombardamento di neutroni, dava
origine a una complessa situazione di
radioattività che fu erroneamente
interpretata come dovuta a elementi
transuranici.
Otto Hahn e Lise Meitner
Di fatto si trattava, come fu poi
dimostrato, da Otto Hahn e Kurtz
Strassmann (dicembre 1938),
attraverso la separazione chimica, della
scissione del nucleo di uranio in due
frammenti
Fissione spontanea di un nucleo
31
10 dicembre 1938
Dopo aver ricevuto il premio Nobel Fermi emigra con la
famiglia negli Stati Uniti.
La famiglia Fermi all’arrivo a New York
32
LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO 1939-1945
Alla Columbia University Fermi intensifica le sue
ricerche
sulla fissione nucleare che lo condurranno a intuire la
possibilità di produrre con i neutroni e l’uranio una
reazione
a catena.
Dopo l’attacco giapponese di Pearl Harbour (7
dicembre 1941)
il governo americano decide di avviare un progetto per
la costruzione
di una bomba a fissione nucleare chiamato Progetto
Manhattan.
Fermi si trasferisce a Chicago al Metallurgical
Laboratory dell’università
di Chicago dove realizza la prima pila nucleare a
fissione (2 dicembre 1942)
33
LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO 1939-1945
La prima pila nucleare: 2 dicembre 1942
34
1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN
Il successo di Fermi nella realizzazione della pila nucleare galvanizzò
i ricercatori del progetto Manhattan.
Fu subito chiaro che era necessario ottenere del materiale fissile in
abbondanza: uranio 235 o plutonio 239.
Furono varati pertanto differenti piani per l’arricchimento dell’uranio e
per la produzione di plutonio.
Per motivi di segretezza furono realizzati, in zone lontane dai centri abitati
e poco accessibili, centri di attività orientati a diversi scopi: il centro di
Hanford nello Stato di Washington al confine con l’Oregon per la produzione
di plutonio mediante reattori nucleari di potenza, il centro di Oak Ridge nel
Tennessee per l’arricchimento dell’uranio, il centro di Los Alamos nel New Mexico
per la realizzazione della bomba.
Fermi fu incaricato del progetto plutonio e per un certo periodo fece la spola tra
Chicago e Hanford
Una abitazione di Los Alamos
durante il progetto Manhattan
35
1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN
Dopo aver avviato i reattori di Hanford Fermi si trasferisce a Los Alamos
(agosto 1944) dove partecipa alla realizzazione della bomba.
L’esperimento dimostrativo ha luogo nel deserto di Alamogordo nel New
Mexico (16 luglio 1945)
36
1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN
In poco meno di un mese vengono costruite 2 bombe che i militari decidono
di sganciare su Hiroshima (6 agosto 1945) e Nagasaki (9 agosto 1945).
Fu la fine della guerra con il Giappone e l’inizio della guerra fredda.
37