“E se può ridere un corpo senza perciò
che lo formino semi che ridono, e avere
senno e parlare dottamente senza perciò
che lo formino semi sapienti e fecondi, o
perché mai non potrebbe ciò che è fornito
di senso venire dagli atomi privi
totalmente di senso?”
lucrezio, De rerum
natura, II,986 - 990
“ Se nel corso di un qualche cataclisma, dovesse andare distrutto tutto il sapere
scientifico, e si potesse trasmettere alla successiva generazione solo una frase,
quale proposizione conterrebbe il massimo d’informazione nel minor numero di
parole?
Io credo che sia L’IPOTESI ATOMICA, cioè che TUTTE LE COSE SONO COMPOSTE
DA ATOMI…”
Richard Feynman, lezioni di fisica 1963
Cosa hanno in comune le seguenti cose?
UNA TARTARUGA
UN PAIO DI BOMBE
LE TUE MANI
L’OCEANO PACIFICO
PASTA E FAGIOLI
PRRR!!
OGGI la
risposta è
semplice
OGNI COSA E’
FATTA DI ATOMI
IL MODO IN CUI SI
COMPORTA UN
MATERIALE DIPENDE DA
COME SONO DISPOSTI I
SUOI ATOMI
GRAFITE & DIAMANTE
E’ difficile immaginare due solidi più
diversi:
la prima è nera, così tenera da lasciare
una striscia sulla carta, ha una
superficie smorta, opaca, costa
pochissimo. Il secondo è incolore, così
duro da scalfire qualsiasi cosa, risplende
di viva luce, può costare miliardi eppure,
tanto la grafite quanto il diamante, sono
due forme pure dell’elemento carbonio
In passato non fu facile
accettare l’idea che noi
e il nostro mondo
fossimo fatti di piccole
particelle passive dette
“ATOMI”
L’atomo
ha conseguito l’accettazione universale
dei fisici solo a partire dal 1905, quando
Einstein spiego’ il fenomeno detto moto
Browniano
Quando una particella di
piccole dimensioni, come un
granello di polline,viene sospesa in un
liquido e osservata al microscopio, si
vede che si muove in un modo
casuale e irregolare.
Einstein spiegò che la particella si
muove a causa degli urti con gli
atomi del liquido.
“Un prodotto
dell’immaginazione non puo’
causare movimenti fisici”
Cosi’ Einstein sostenne che
gli atomi dovevano essere
reali
Oggi gli scienziati, usando
dispositivi chiamati
microscopi a scansione ad
effetto tunnel possono
eseguire vere e proprie
“fotografie” di singoli
atomi, cosicchè la
questione è stata
definitivamente risolta
Per tutto l’ottocento e
all’inizio del novecento si
continuò a discutere se
gli atomi avessero una
realtà fisica o fossero
semplicemente un’
IDEA UTILE.
Nel 1906 il fisico austriaco
LUDWIG BOLTZMANN
era in uno stato di completa
frustrazione e depressione. Per
trent’anni aveva tentato,
venendo spesso coinvolto in
sgradevoli controversie, di
convincere scienziati europei
influenti dell’esistenza degli
atomi.
Quello stesso anno si suicidò
Purtroppo Boltzmann
non fu in grado di sostenere
le sue idee perché non
disponeva delle dirette prove
sperimentali sull’esistenza
delle molecole, prove che i
ricercatori riuscirono ad
ottenere solo qualche anno
dopo la sua tragica fine
“25 secoli fa, sulle rive di un mare
divino, dove aleggiava il canto degli
aedi, alcuni filosofi insegnavano già
che la materia mutevole è composta
da grani indistruttibili in cessante
movimento , GLI ATOMI ,
che il caso e il destino riesce a
riunire nel corso del tempo
originando le forme e i corpi che ci
sono familiari.”
Inizia così il celebre
libro,
“Les atomes”,
di
J.Perrin,
premio nobel per la
fisica nel 1926
Circa 2600 anni fa ebbe
inizio un’attività di
ricerca
che ci ha condotti infine ad
una comprensione
largamente condivisa
dell’universo naturale : una
comprensione su cui
concordano scienziati di ogni
paese e di ogni cultura
Fu
Democrito di Abdera
(V -IV secolo a.c.) insieme al
suo maestro Leucippo,
il fondatore della concezione
atomistica.
Le sue idee filosofiche
furono riprese da
Epicuro
e dal poeta latino Lucrezio.
Per diversi secoli la teoria di
Democrito fu incessantemente
contestata, prima dalle varie
scuole filosofiche (i platonici
che la tradizione vuole abbiano
fatto bruciare le opere di
Democrito) e poi soprattutto
da Aristotele,
poi da molti
maestri delle singole discipline
scientifiche
Bisogna arrivare all’inizio
del’600 quando il filosofo e
scienziato francese
Pierre Gassendi lesse il
poema di Lucrezio
ed
esortò vari dotti in tutta
Europa a fare altrettanto
Nel 1660 in Inghilterra,
Robert Boyle pubblicò
risultati di esperimenti
che potevano essere
spiegati facendo l’ipotesi
che l’aria fosse fatta di
atomi
Per più di un secolo furono accumulate
abbastanza informazioni teoriche e
sperimentali da permettere a
John Dalton
di scrivere un libro, edito nel 1808, in
cui si dimostrava che i risultati di
moltissime reazioni chimiche potevano
essere compresi ipotizzando l’esistenza
di un certo numero di elementi, ognuno
composto dal proprio genere di atomi
Attorno al 1870, il russo
Mendeleiev, riuscì ad
organizzare gli elementi noti in
una tabella che va sotto il nome
di sistema periodico degli
elementi. Sulla base di regolarità
connesse alla struttura di questa
tabella, Mendeleiev potè
predire l’esistenza di vari
elementi ignoti
Quando le sue
previsioni furono
confermate, l’idea della
reale esistenza degli
atomi acquistò una
considerevole
credibilità.
Sempre intorno al 1870, lo
scozzese Maxwell
e l’austriaco
Boltzmann, riuscirono a
spiegare le proprietà dei gas
fondandosi sull’intuizione che
i gas fossero composti di
atomi
Già nel 1895 la scoperta dei
decadimenti radioattivi e i
risultati di altri esperimenti
avevano cominciato a lasciare
intendere che gli
atomi chimici
erano composti
da altre cose
Queste ricerche riuscirono a
convincere altri dell’esistenza
degli atomi.
Tuttavia la maggior parte degli
scienziati non credeva ancora
nella loro esistenza
Nel 1905
Einstein sostenne
che un fenomeno scoperto
nel 1827 da Robert Brown,
forniva una prova
indiretta dell’esistenza
degli atomi
Nel 1908 Jean Baptist
Perrin, a Parigi, dimostrò
sperimentalmente
l’assoluta correttezza
delle previsioni di
Einstein
Dopo 2600 anni, l’esistenza
degli atomi era dunque
accettata pressochè
universalmente!
E per la prima volta era stata
dedotta la grandezza di una
molecola: il suo diametro risultò
essere un centomilionesimo di
centimetro!
Ma gli scienziati
non ebbero molto tempo per
godersi il grande senso di
felicità e di bellezza che può
dare la comprensione di una
parte della natura!
Lo studio della
struttura
atomica
I fisici si pongono il
problema di come sia fatto
l’ atomo cioè di elaborare
quelli che vengono
chiamati
Tra tutti spiccano due nomi
J.J.Thomson
Ernest Rutherford
Thomson nel 1897 misurò
la carica specifica
dell’elettrone e nel 1898
fece la prima ipotesi sulla
struttura interna
dell’atomo supponendolo
costituito da elettroni
distribuiti in una nube
sferica di elettricità
positiva
Ernest Rutherford, nato in
Nuova Zelanda nel 1871,
fece alcune tra le più
importanti scoperte del suo
secolo.
Nel 1910, in Inghilterra,
dimostrò sperimentalmente
che gli atomi erano formati
da un minuscolo nucleo
circondato da elettroni
Da quell’intuizione e
dagli esperimenti che essa
suggerì ebbe inizio un
cammino lineare che giunse
alla meta con la scoperta
del quark top nel Fermilab!
La luce e’ un’
, ed essa
sono
di dimensioni molto minori della sua lunghezza
d’onda (diffrazione)
Poiche’ la lunghezza d’onda della luce e’ circa
mille volte maggiore delle dimensioni di un
atomo, e’ evidente che essa non e’ utile per
osservare gli atomi
Che cosa potrebbe
servire?
Bisogna utilizzare
esperimenti indiretti, ad
esempio bombardare la
materia con proiettili
sufficientemente
penetranti
Le radiazioni a prodotte dal
decadimento radioattivo
sembravano fornire i proiettili
adatti; Queste erano 8000
volte piu’ pesanti di un elettrone
e quelle provenienti da una
sorgente di polonio si
muovevano alla velocita’ di
circa 15000 km-s
Gli esperimenti di SCATTERING
delle particelle a eseguiti da
Rutherford e dai suoi
collaboratori furono
i primi nei quali si
spararono
contro un bersaglio proiettili ad
alta velocita’ e in cui si rilevarono
e studiarono le particelle
subatomiche risultanti
In seguito questo approccio e’ stato
utilizzato molte altre volte per
scandagliare la materia sempre piu’
in profondita’, cioe’ con proiettili dotati
di energia sempre maggiore
Storicamente,ogni
aumento significativo
dell’energia dei
proiettili ha condotto
alla scoperta di un
livello di struttura più
profondo!
I proiettili di Rutherford
venivano sparati su
sottilissimi fogli di
materiale,abbastanza sottili
perché ci fosse una buona
probabilità che una
particella a venisse deviata
da un solo atomo
nell’attraversare il foglio.
Che cosa c’era da aspettarsi dal
passaggio di una particella a attraverso
una sottile lamina di oro? E che cosa si
scopri’ realmente?
Entrambe le risposte sono
pittorescamente descritte da Rutherford
Rutherford riusci ‘ a
dimostrare che gli atomi
avevano un nucleo duro
con un diametro 10.000
volte minore di quello
dell ‘atomo stesso.
ANCHE L’ ATOMO ERA
DUNQUE SCOMPOSTO!
A quei tempi
il nucleo
atomico sembrava la
frontiera ultima degli
“oggetti” accessibili al
microscopio.Ma sarà
così per poco.
L’atomo di Rutherford non era
ancora completo.
C’erano parecchi problemi
fondamentali da risolvere tra cui
due molto urgenti!
A) quale fosse la carica elettrica del pesante
nucleo centrale
B) come si muove ciascun elettrone intorno al
nucleo conformemente con le leggi note fino ad
allora
A) a ciò rispose nel 1913
un giovane allievo di
Rutherford, Henry
Moseley,che studiò lo
scattering dei raggi X
(scoperti da Roentgen
nel 1895) da parte degli
atomi di diversi
elementi.
Si poteva dimostrare che
questa diffusione dipendeva
dalla carica del nucleo, e
Moseley dimostrò che la carica
presente nel nucleo di elementi
successivi della tavola
periodica, aumentava di una
singola carica positiva passando
da un elemento all’altro
Così si arrivo’ a
formulare che ogni
elemento chimico ha un
nucleo contenente un
numero diverso di
(nuclei di idrogeno)
Il posto occupato da un
atomo nella tavola
periodica veniva
determinato dalla carica
positiva presente nel
nucleo e non dal peso
atomico
Mentre LA CARICA di
un nucleo aumentava di
una unità alla volta, i
PESI ATOMICI
aumentavano in media
di due unità passando
da un posto al
successivo
LA MASSA dei
nuclei
aumentare piU’
rapidamente
della loro
Rutherford aveva
proposto un modello per
cui ciascun nucleo era
costituito dal numero
corretto di protoni, ma
questo modello non si
adattava a tali fatti
riguardanti le masse dei
nuclei
Si fece l’ipotesi che vi
fossero, all’interno del
nucleo, sia protoni che
elettroni, così da
permettere combinazioni
protone - elettrone che
davano al nucleo una massa
supplementare senza farne
aumentare la carica
Già lo stesso Rutherford aveva
fatto l’ipotesi che le coppie
elettrone - protone potessero
combinarsi in una particella
neutra pesante che chiamò
NEUTRONE
C’erano buone ragioni per
cercare il neutrone!
Ed esso
Fu attivamente cercato
Nel 1929, in Italia, le
esperienze di
RASETTI sulla
spettroscopia delle
molecole di azoto,
misero in crisi l’ipotesi
della presenza degli
elettroni nel nucleo
Nel 1930 i coniugi
Joliot - Curie
osservarono che le particelle
derivanti dal decadimento
radioattivo del radio, quando
colpivano un pezzo di berillio,
producevano un nuovo tipo di
radiazione, con un altissimo
potere penetrante
Questi nuovi raggi non
sembravano associati ad una
carica elettrica poiché non
venivano deviati da campi
elettrici o magnetici
In più, se questi
incidevano sulla paraffina,
venivano emessi da questa
dei protoni ad alta velocità.
Questi
non
potevano aver fatto parte
della radiazione, essi
dovevano provenire dalla
paraffina
Nel 1923 il fisico inglese
James Chadwick fece
rilevare che l’unico modo
per dare un tale impulso a
dei protoni era di usare
delle particelle altrettanto
pesanti, cioè dei
NEUTRONI.
Misurando l’
impulso dato ai
protoni emessi
dalla paraffina,
CHADWICK
ottenne la massa
del neutrone
IL NUCLEO NON
ERA DUNQUE
COSTITUITO DA
ELETTRONI E
PROTONI,MA DA
Neutronie protoni
B) IL MODELLO MIRABILMENTE
SEMPLICE DELL’ ATOMO
NUCLEARE AVEVA QUALCHE
PROBLEMA DI FUNZIONAMENTO.
LE EQUAZIONI DI MAXWELL
DELL’ ELETTROMAGNETISMO
PREVEDEVANO CHE UNA
CARICA, RUOTANDO,
IRRADIASSE ENERGIA.
PERTANTO GLI ELETTRONI
DELL’ATOMO
IN UN MILIONESIMO DI
SECONDO AVREBBERO
DOVUTO COLLASSARE SUL
NUCLEO.
Nel 1913, un giovane
scienziato danese
Niels Bohr,
fece l’ipotesi che gli
elettroni soggetti ad
accelerazioni non
producessero
radiazioni!
Egli riuscì a spiegare il più
semplice degli spettri
atomici, quello
dell’idrogeno, con una
ipotesi profondamente “non
classica” o come si dice
“quantistica” sui possibili
movimenti dell’elettrone
nell’atomo e sugli scambi di
energia
Dopo la scoperta della prima
particella instabile, il
neutrone, la storia si fece
molto complicata.
Gli strumenti disponibili non
erano in grado di rilevare
altre particelle, troppo
instabili per essere messe in
evidenza dalla limitata
strumentazione disponibile
I fisici si dedicarono
pertanto a perfezionare gli
strumenti
ANCHE SE SI CONOSCEVANO SOLO LE FORZE
ELETTROMAGNETICHE IL CUI QUANTO È IL
FOTONE, SI CAPIVA CHE ESSE NON POTEVANO
SPIEGARE LA STABILITÀ DEL NUCLEO ATOMICO
NEL QUALE PROTONI E NEUTRONI ERANO
COMPRESSI IN UNO SPAZIO PICCOLISSIMO
Il modello del nucleo a protoni e
neutroni era soddisfacente ;
naturalmente il nucleo doveva
essere molto piccolo, cosicché gli
elettroni non si sarebbero mai mossi
molto vicino ad esso.
MA QUANTO PICCOLO
Il nucleo pIu’ pIccolo e’ cIrca un
decimilionesimo di milionesimo di
centimetro .
Se tutta la massa di un
atomo era concentrata in
un nucleo piccolissimo, allora
la densità entro questo
nucleo doveva essere
altissima!
invero lo era, il suo valore e’
di circa 200 milioni di
milioni di
g/cm^3
COME POtevano I PROTONI,
CARICHI POSITIVAMENTE,
CHE
SI RESPINGono A VICENDA
PER LA FORZA
COULOMBIANA, ESSERE
TRATTENUTI ENTRO IL
NUCLEO?
PERCHE’ IL NUCLEO NON SI
DISINTEGRAva?
LE SPIEGAZIONI POTEVANO ESSERE 2:
1)C’ERA UNA MODIFICAZIONE
DELLA FORZA COULOMBIANA
2)CI DOVEVA ESSERE UN’ ALTRA
FORZA
CHE A QUESTE BREVI DISTANZE PREVALEVA SULLA
REPULSIONE
COULOMBIANA.
L’alternativa
corretta è la seconda.
C’e’ una forza
supplementare che
tiene assieme protoni e
neutroni
MISURANDO LA DEVIAZIONE CHE
UN PROTONE SUBIVA QUANDO
SFIORAVA UN NUCLEO ATOMICO,
FIN DAL 1935 SI ERANO
CONSTATATE DELLE ANOMALIE IN
QUESTA DIFFUSIONE, DATO CHE,
INVECE DI ESSERE RESPINTO DAL
CAMPO ELETTRICO, IL PROTONE
ERA ATTIRATO QUANDO PASSAVA
MOLTO VICINO AL NUCLEO
QUESTA FORZA CHE , AGENDO TRA
PROTONI E NEUTRONI DEL NUCLEO , LI
TIENE LEGATI, VENNE CHIAMATA
FORZA DI INTERAZIONE NUCLEARE O
FORZA FORTE
NEL 1935, IL FISICO GIAPPONESE YUKAWA,
SPIEGO’ LA FORZA FORTE
Non si manifesta
a grande distanza ,
il suo effetto non
è sensibile al di là
del raggio del
nucleo, è una forza
a corto raggio di
azione.
E’una forza molto
intensa (forte) più
intensa dell’ iterazione
coulombiana: le
interazioni forti sono
cento volte più intense
di quelle elettriche!
Per stimare l’intensità con
cui protoni e neutroni
interagiscono, si può
calcolare l’energia richiesta
per scindere il nucleo nei
protoni e neutroni che lo
costituiscono
questa energia è detta
energia di legame
L’energia di legame aumenta
con regolarità a partire da
E = 2.000.000 di EV
EV = 1 elettronvolt =
energia che un elettrone
acquista quando viene
accelerato da una DDP di un
Volt = 1,6*10^ -19 J
Yukawa suppose che il campo
nucleare si manifestasse con un
QUANTO analogo al fotone del
campo elettrico, dato che la
distanza tra nucleoni è molto
piccola, un fotone di questo tipo
dovrebbe avere una lunghezza d’
onda molto corta a causa della
grande energia.
Dai calcoli , Yukawa dedusse
che il quanto del campo
nucleare Doveva averE una massa duecento
volte
maggiore di quella
dell’ elettrone
Nel 1937, studiando gli effetti
della radiazione cosmica,
Anderson (lo scopritore del
positrone) e Neddermeyer
trovarono tracce di particelle
aventi massa intermedia tra il
protone e l’elettrone,
particelle che sembravano
corrispondere alle previsioni
di Yukawa.
Queste particelle vennero
considerate
come i quanti del campo
nucleare
e vennero chiamate
dapprima
“MESOTRONI”
e poi “MESONI”
Ma la nuova particella
interagiva solo debolmente con
i nuclei, un miliardo di volte
meno delle previsioni di Yukawa
Nel 1947
Pancini-Piccioni
ma poi anche Fermi, e tanti
altri proposero che la
particella di Yukawa avesse
una vita così breve da
rendere molto difficile la sua
rilevazione
Studiando al
microscopio le tracce
che i mesoni lasciavano
nelle emulsioni
nucleari, ci si accorse
che tutte
presentavano tre parti
distinte
All’inizio si distingueva una
traccia breve prodotta da
una particella che fu
identificata essere la vera
particella di Yukawa, alla
quale
fu dato il nome di
MESONE PIGRECO
o PIONE
La seconda traccia fu
attribuita ad una particella
prodotta dalla
disintegrazione della
precedente e identificata
con il MESONE scoperto
da Anderson
La terza fu attribuita
all’ELETTRONE prodotto nella
disintegrazione del pione in un
muone e quindi in un elettrone
LA PICCOLA DIFFERENZATRA
LE MASSE DEL PIONE E DEL
MESONE IMPEDI’ PER LUNGO
TEMPO DI DISTINGUERLI!
Un altro passo verso la
comprensione del nucleo
atomico venne compiuto
determinando la causa dei
decadimenti radioattivi
Quando un nucleo subisce un
decadimento alfa perde due neutroni e
due protoni cosicché, il nucleo
trasformato ha, rispetto al genitore,
quattro unità in meno
di massa e due unità
in meno di carica.
Il decadimento alfa avverrà se il nucleo
nuovo è più stabile di quello vecchio.
Una teoria soddisfacente del
decadimento alfa, fu sviluppata nel 1928
in America da Gamow, Condon e
Gurney.Fu il primo trionfo della
meccanica quantistica!
IL DECADIMENTO ALFA si poteva
spiegare sulla base delle sole interazioni
forti che tengono insieme il nucleo.
Esso avverrà all’interno del nucleo
soltanto se il nucleo finale ha
minore energia totale del nucleo
iniziale.
La velocità con cui esso
avviene o, ciò che è lo stesso, la
durata della vita media del nucleo
originario, dipende fortemente
dalla quantità di energia liberata
nel decadimento.
Alcuni NUCLEI decadono
rapidamente, in tempi dell’ordine di
un trentesimo di secondo, altri non
decadono che in miliardi di anni,
mentre il neutrone libero decade in
poco più di dodici minuti. (per
ottenere un raggio gamma un nucleo
impiega un miliardesimo di secondo!)
Il processo di
emissione dei raggi
gamma implica
l’emissione di luce da
parte di un nucleo
instabile che finisce in
uno stato più stabile.
Tale processo viene
interpretato sulla
base delle equazioni di
Maxwell e dei risultati
sinora esposti
Rimaneva da
comprendere il
processo di
decadimento
beta
E fu necessario un notevole
periodo di tempo per
comprenderlo, dal 1900, quando
BECQUEREL
dimostrò che i raggi beta erano in
realtà sciami di elettroni, al 1933
quando Enrico Fermi presentò la
struttura matematica della sua
teoria sul decadimento beta
Una delle prime difficolta’ da
affrontare eRA che, nel
decadimento beta, vENIVA emesso
un elettrone dal nucleo, nel quale
precedentemente
non esisteva.
In altre parole si AVEVA nel nucleo
un processo di CREAZIONE di un
elettrone
Questo processo
eRA un nuovo
importante aspetto
del mondo
subatomico che si
stava
Nel DECADIMENTO BETA
si creano
elettroni come dal nulla!
L’idea fondamentale della
conservazione,che risaliva ai
Greci,sembrava essere
stata
definitivamente distrutta!
Per aumentare la
confusione , sembrava che
un’altra legge di
conservazione, la legge di
conservazione
dell’energia e della
quantità di moto, fosse
stata violata nel
processo di decadimento
beta!
Infatti le particelle beta (elettroni)
emesse nel decadimento
radioattivo sembravano avere
un’intera gamma di valori
dell’energia e delle quantita’ di
moto in media considerevolmente
minori di quanto potesse fornire ad
esse in nucleo che subiva il
decadimento
La risposta a questa
domanda fu data da
Pauli negli anni venti:
essa era trasportata
via da una particella
invisibile che egli
chiamò neutrino
Questo neutrino era davvero una
particella notevole:
non aveva ne’
carica ne’ massa, ma era
destinata semplicemente a
trasportare via l’energia e la
Quantita’ di moto in eccesso!
Il neutrino sembrava senz’altro
necessario per mantenere valide
queste leggi di conservazione,
piuttosto importanti ma,essendo
praticamente invisibile,era
molto difficile da osservare
COSÌ È DEL TUTTO CORRETTO
ORA SCRIVERE IL PROCESSO
FONDAMENTALE DI
DECADIMENTO BETA COME
SEGUE:
n
p+e-+ν
Ove la freccia mostra la
direzione nella quale avviene il
processo.
La reazione di DECADIMENTO
BETA si deve considerare così:
Un neutrone all’interno di un
nucleo si trasforma in un
protone, mentre
simultaneamente vengono
emessi un elettrone e un
neutrino
Ma come
avviene tale
processo?
Esso avverrà all’interno del
nucleo soltanto se il nucleo
finale ha minor energia
totale del nucleo iniziale.
La velocità con cui esso
avviene o ,ciò che è lo stesso,
la durata della vita media
del nucleo originario,
dipende fortemente dalla
quantità di energia liberata
nel decadimento
Alcuni Nuclei Decadono
Rapidamente, in Tempi
Dell’orDIne DI un TrenTesImo
Di Secondo, Altri Non
Decadono Che in Miliardi Di
Anni, Mentre Il Neutrone
Libero Decade in Poco Più Di
Dodici Minuti.( Per Emettere
Un Raggio Gamma Un Nucleo
Impiega Un Miliardesimo Di
Secondo!)
Tutto ciò ci porta a sostenere che il
processo di decadimento beta ha
luogo per azione di una forza
diversa da quella coulombiana, e
anche presumibilmente
diversa dall’interazione
forte, poiché elettroni e
neutrini appaiono solo per
un momento nel nucleo
Che cos’e’
questa nuova
forza?
Essa doveva essere una forza debolissima!
L’interazione tra i neutrini e la materia ERA cosI ‘
debole che Cowan e Reines trovarono che avrebbero
avuto bisogno di uno schermo di ferro spesso
parecchi anni luce per ridurre a metA’ il fascio di
neutrini uscente dalle pile atomiche.
Giustamente
affermarono che il loro
esperimento per rilevare il neutrino
era
“ il più difficile
esperimento di fisica che si
potesse pensare ”
la forza che provoca il
decadimento beta fu
giustamente chiamata
FORZA DEBOLE
o
INTERAZIONE DEBOLE
Essa fu correttamente compresa dal fisico
italiano E.Fermi
quando avanzo’ l’ipotesi piu’ semplice
possibile che la probabilita’ del
decadimento beta fosse proporzionale al
prodotto delle probabilita’ di trovare
l’elettrone, il neutrone , il neutrino e il
protone tutti nello stesso punto entro il
nucleo
C’era un punto importante che risolveva la
teoria di FERMI e cioè:
come poteva esserci tale decadimento se
inizialmente non c’erano elettroni o
neutrini nel nucleo genitore?
La risposta di FERMI fu
che essi venivano creati
continuamente dagli
effetti della interazione
debole, una volta che
erano creati, c’era una
probabilità non nulla di
trovarli in un dato punto
ENRICO FERMI E
LA FISICA ITALIANA
Gli anni 1900-1902 videro la
nascita di cinque GRANDI che
hanno gettato le basi delle nuove
conoscenze in fisica. In ordine di
nascita essi sono: Pauli, Dirac,
Heisenberg, Fermi, Jordan.
Tra gli anni 1920 e 1933
questi giovanissimi giganti
gettarono le basi delle nostre
attuali conoscenze. Questo
periodo diverrà noto in
Gottingen come gli anni
Knabenphysik (la fisica dei
ragazzi).
Enrico Fermi non partecipò
direttamente alla prima
assoluta fondazione delle
nuove idee, ma contribuì
enormemente a semplificarle,
ed a portarle ad una visione
unitaria.
Un compito delicato e difficile
che gli era peraltro naturale
Nel 1926 Fermi entrò tra i
grandi con la su statistica
sulla “quantizzazione del gas
perfetto monoatomico”, la
statistica proposta per la
prima volta da lui, che prese il
nome di Fermi - Dirac
Gli anni 1926 - 1930 furono
estremamente intensi e
fruttuosi: Fermi non si
interessa direttamente delle
applicazioni della sua teoria, ma
rivolge i suoi interessi verso
l’avanguardia della fisica :
l’elettrodinamica quantistica. I
problemi connessi all’emissione
e all’assorbimento dei fotoni
Nel 1930 intorno a Fermi e
Rasetti, si raccolse un gruppo di
giovanissimi fisici: Segrè,Amaldi
e Majorana. Tutti ben decisi ad
imparare le tecniche della fisica
nucleare.
Nacque il gruppo di via
Panisperna
Nell’autunno del 1932 si
decise di dare inizio a un
programma di ricerche in
fisica nucleare. Venne
realizzata una camera a
nebbia, vennero realizzati
vari tipi di Geiger
Nel 1933 Fermi completò
il suo celebre lavoro
“tentativo di una teoria
dei raggi beta”.
Fermi aprì un nuovo campo
della fisica : la fisica delle
interazioni deboli
Nel gennaio del 1931 i coniugi
Curie - Joliot
annunciarono la scoperta di nuovi
radioisotopi ottenuti bombardando i
nuclei di elementi leggeri con
particelle alfa. Fermi intuì
immediatamente che i neutroni
potevano essere validamente
utilizzati come proiettili per indurre
radioattività artificiale
I neutroni essendo
privi di carica non sono
soggetti alla repulsione
coulombiana esercitata
dai nuclei bersaglio e
pertanto più efficaci
Ma i neutroni sono un po’ più
difficili da produrre che non
le particelle alfa perché non
esistono sorgenti dirette di
neutroni, ma sono essi stessi
il prodotto di disintegrazione
nucleare.
Bisognava quindi procurarsi
una sorgente di neutroni!
Trovata la sorgente,
iniziarono le
sperimentazioni!
Quando il neutrone colpisce
il nucleo possono avvenire
diversi fenomeni
Le reazioni piu’ comuni
Reazione ( n , g)
reazione (n , p)
reazione (n , a)
La reazione (n , g ) vuol dire
che il neutrone viene
inghiottito dal nucleo , il quale
viene così eccitato, allora può
emettere radiazione
elettromagnetica sotto forma
di raggi gamma e trasformarsi
in un nucleo il cui peso è
aumentato di una unità
La reazione (n,p) vuol
dire che il neutrone
entra e scaccia un
protone.
Un neutrone si
sostituisce ad un
protone
La reazione (n,a) vuol
dire che un neutrone
entra ed esce una
particella alfa.
Un neutrone i
sostituisce ad una
particella alfa
In ognuna di queste
reazioni si forma un nucleo
diverso da quello colpito. Si
parte in genere da un
nucleo stabile e si va a
finire il più delle volte in un
nucleo non stabile, cioè
radioattivo
Così vennero prodotti
una cinquantina di
nuovi elementi che
vennero studiati e
identificati nel
laboratorio di Roma
LA SCOPERTA!
“ Uno spessore di alcuni
centimetri di paraffina
interposto tra la sorgente e
l’argento invece di diminuire
l’attivazione la aumenta”
Così annunciò lo stesso Fermi la
sua sensazionale scoperta in una
lettera per “La ricerca
scientifica”
I neutroni rallentati fino
all’energia dell’agitazione
termica delle molecole dalle
collisioni con nuclei di
idrogeno passavano più tempo
nelle vicinanze dei nuclei
bersaglio diventando più
efficaci nell’indurre la
radioattività artificiale
La scoperta dell’effetto dei
NEUTRONI LENTI aprì una nuova
fase nel programma di ricerca del
gruppo, la scoperta ebbe
immediate applicazioni pratiche
nella possibilità di produrre
isotopi radioattivi da utilizzare
come traccianti in fisica, in
chimica in medicina
Il 10 novembre del
1938 Fermi ricevette
l’annuncio ufficiale
del conferimento del
PREMIO NOBEL
Dopo il soggiorno di
Stoccolma decise di
proseguire
direttamente per gli
Stati Uniti insieme
con la moglie Laura
La causa scatenante fu certamente
la promulgazione delle leggi razziali
da parte del governo italiano ma
come ricorda il suo amico Segrè :
“lo attiravano i laboratori
attrezzati, gli abbondanti mezzi di
ricerca, l’entusiasmo della nuova
generazione dei fisici”
RIASSUMENDO
• Il decadimento beta procede per mezzo
della interazione debole
• il decadimento gamma per mezzo della
interazione elettromagnetica
• l’interazione forte è responsabile del
fatto che il nucleo si mantiene insieme e
provoca il decadimento alfa
Evoluzione del concetto di forza
• NEWTON : azione a distanza
• FARADAY :concetto di campo di
forza
• YUKAWA: una forza è qualsiasi
interazione fra due oggetti che
avviene mediante lo scambio di una
particella (mediatrice della
interazione)
Tipo
interazione
Forte
intensità
effetto
14
Tiene
insieme il
nucleo
Mantiene gli
elettroni
legati al
nucleola
Causa
radioattività
Elettromagne
tica
1/137
Debole
10^-5
gravitazional
e
10^-39
Mantiene i
pianeti legati
al sole
Particella che
produce
interazio
Pioni
fotoni
Mesoni
deboli
gravitoni
Una volta scoperto il neutrone
era forte la tentazione di
supporre che i componenti
fondamentali fossero ormai
stati trovati e che tutta la
materia fosse composta di
protoni, neutroni ed elettroni
Ben presto emersero ragioni
per considerare
insoddisfacente questa ipotesi
Dopo la seconda guerra mondiale fu
costruito lo Stanford Linear
Accelerator Center (SLAC) per
scandagliare protoni e neutroni
usando elettroni come proiettili, in
esperimenti analoghi a quelli di
Rutherford. Si dimostrò che protoni
e neutroni erano particelle composte
Una varietà di esperimenti
condussero alla scoperta di
un gran numero di particelle
che furono chiamate
collettivamente “adroni”( in
questa categoria rientrano
anche protoni e neutroni)
Nel 1968 una nuova serie di
esperimenti allo SLAC,
che utilizzavano
elettroni ad alta energia,
scoprì l’esistenza di QUARK
(up e down) nei protoni e nei
neutroni
Il segnale fu molto simile a quello
trovato parecchio tempo prima da
Rutherford. Come allora, troppi
proiettili rimbalzavano invece di
passare oltre, cosicchè era chiaro
che dovevano colpire qualcosa di
duro
All’inizio degli anni ‘70 i nuovi
sviluppi cominciarono ad
assumere un ritmo incalzante.
Si vide che le teorie fondate
sui quark e sugli adroni
acquistavano un senso anche in
altri modi
Il passo avanti finale,
quello che condusse ad
una accettazione quasi
completa dei quark, fu la
SCOPERTA di un nuovo
quark, il quark charm, nel
novembre del 1974.
QUARK ED ELETTRONI
SONO I SEMI DELLA
NATURA ?
Pare proprio di si.
Fino ad un certo livello gli
esperimenti hanno trovato una
struttura poi, piu’ niente!
La risposta corretta è:
tutta la materia reale è
composta di QUARK UP,
di QUARK DOWN ed
ELETTRONI
Giardino PierPaolo
Rapone Stefano
Fortini Noemi
Nafra Paola
Spagnoli Marzia
Dell’Uomo Donatella
Cicuzza Giovanni
D’Amico Gabriele
Meloni Roberto
UN GRAZIE SPECIALE A “π”
Pelorossi Fabio
Mastracco Roberta
Ritarossi Luca
Coccia Beatrice
Pantano Luca
Recchia Davide
Latini Marta
Cori Emanuele
Quattrociocchi Serena
Terrinoni Angelo
Fanella Martina
