Alle origini della fisi cadel XX - Liceo Scientifico e Classico Statale

Alle originidellafisi cadelXX
secolo:la scopertadell'elettrone
Situatotemporalmentetra Ia scopertadei raggi catodici
e la formulazionedella modernateoria atomice,l'esperimento
di Thomsonè la cernieratra la vecchiae Ia nuova
fisica
di Giulio Peruzzi
ra il febbraioe l'ottobredel 1897 la massadell'atomo
di. idrogeno
JosephJohnThomsoncomuni- momentoangolarergrry99ifi; e un
il
per cercar.-di capireil senso
della
scoperradell,elenroneè quindi neces-
;; il.s*. storicamente
i variambitfiff,#T"ti,'J-Tijiii,ilii"l: o^2!^1]3;^t"{o,yE,:ll;ii;i#"í.:
e"iltr"-d"u'"r"ttfii",;;iqÈÉj,
;Ti;:ffgT
Xilffiî,1;fm';
:f;t#fi!!T"':l},K$s;;"**i*iu
a"
:
;#"ff lli"*ifri
i'".ti*úi;-ffiì'
T,'rffi1;:'Tf-'úM"
rurulrum,li'i"ilt; :n:
r,t .",n. p.pti.àì..-i"ricqueue
'h';;opoe-;;u'"l",oon" ap
flitto tra loroiRnironopo,o"ont *ri
che di caricanegativ4da lui chiamale
<corpuscoli>'Tali corpuscolivermero
succ€ssivamente
identificati col oome
di eletbonie J' J' Thomson,cheoroprio
per questericerchefu insienitoàel pre-'
mio Nobelnel 1906,pas;òala storia
comerl loro scoDntore
come spessoaccadeir relazione
<fattb fondamentali
"i
dellasioriad€lDensiemnmano,il processocheha oortato
alla scoPertadell'elettroneè to.n oro,
spessointessutodi quelli cheFrancesco
Baco'e chiamava<<anticioazioni
ingiustificateDe <pregiudiziartien"ti it matur r, che p're hannoun ruolo
" ìon
marginalenel delicato e tante volte
oscurocarunino di edificazionedella
scieDzsD'altra Pafe' grazieproprio.a
que$oÎaÎrcosoprocessocheaffondale
proprieradicinelleprimetrattazionidei
fenomeni
elettricie magnedci
dellasecondrametà del setùecento'il mondo
scientificodi fne ottocento€ragià sufncrentemeÎtepreparatoa questa(civoluztone,r,comedimostrair faÍo chener
1904'soloseneannidopola scooertadi
Thomsor' at congressointemazionale
di scienzee ani di saht-L,ouis,Paul
Langevn pres€ntavala nuova fisica
dell'elettronecome<<una
nuovaAmeri-
c4 in cuisirespira
liberamente,
chesti-
pena ciî;te,
à""*uu. iL"*-r"í"ià
àii" ,n,rooa-.
loti aiqu"J"ffi"ii,ffà.nr"
t'.t"u"".à"*
i"r'q'rì"iJ-t!*::
.:Ls
permenedi coordinàrre
rifoiuili
"o'ol seosor"
a un particolareente.ro qesto
,.àpJÀ-à"il"r"ioàrJi'àrì1"
"r-"aul t"uorifr-r*rocl
1o--gegsanfanni:
a"riJii.àìi"Lilo'i"i'r"liro
,"orro
nro
ro..ri*ioiJ
a.r"I"
"iniìr,"nr" prr-l
I'elettroclinamica
quanti.ti'"u"n"r.
.úq"-ti
liih",i'iHlo
sl
"r"t
p"tra o o^rcopena..aerii"tlki"o
"uo.u
. t" ,i
iolloca nel ìési, rài.;;t"
*m"
i"l a,*ró i"i;;;;"r=
,uo,"
"-i_ ptotril"ti"a sJ;l'"iíí
piri.
gia
i""tó pri."-J"i r"*l iiiiior.on,
"he, ,i
fa:eva-riferimeDtoun" ootiàoi ai oione)t, (atomo>, <rmolecolo,ì<partrceJIo, <corpuscolo>
di elettricitìr,
cle atta
n"é
uii'iiìeilóiefuni"a
"-hui-ì"
J"ttà*. ;;;
p""-rl-"*r"
""ri""ii
inizialmentei signifi"".ri
i""1,...""-"1.cainpi di ri_
zioni acquistavaionei vari
.Iut."h.
it1i"fir",n*,o,
".t
".
;.È ", ÀÈi!;i;.ii.ulil",Trn*",a
(contetrutooireato,
sr oo"'elre
veva attsibuire,at o u"niaet
io-à essere
ip""ti aii"rlà,iiiit"i''rpJ.*
prr*
sbr"
?pi"ì
iasz,
molatuneIe attivitàe chepuò inseena- i:1'lj
lJ"ì!i
quandoun
certoinsiemeai aati empirire moltissime
coseal vecchioMonó>.
nr itt"rpr.àà
ai *
"ì
"ài"ì"i""fi*
dar luogoa unadellesdopertecheinau"
guraronola fisicadel )o( secolo.
si suole far ri'alire ir concenodi
(quanritadefinitadi elettricirà,a ceoî-Ju.rrJ-ìiTorg.sso
;;;il
r.y, it
[ra" - "*T;;'1,rru-tet
annua]e
dellaBritish Associationfor theAdvancementof sciencesvoltrosr
a Belfastnel
1874- in uuacomunicaaonedal titoro
on thephysicql(JnítsofNature afffontavail problemaclelh definizionedi un
sistemadi unità di misurache doveva
tenere conro <del|avanzamentodelre
nostre conoscerzedella Natur",>fon_
daDdosinon su (.onaparrcolareclasse
di fenomeni,ma suù.intero dominio
dela Nan'ari. In quesrosenso,rifacendosi esplicitamenté
ai lavori di Michael
Faradaydei prirni anni crer1g40,Sto.
neyconcludeva
che<laNan'a ci fomisce,ner fenomenodell'eletrolisi, l,evidenzadi.unasingoladefinitaquantitàdi
eletticitÀ che eÌnopeicente aai parti
;;il;'?il;
q;lli'ug'r""o.
N"rr"
sua comunicazione
Stoueyfomiva anche unaprima.stimader varoredi questo <quantodi elettricitb che doveva
esseredell,ordine di lùr coulomb.
su o stessoargomenrotomav4 indi-
;;;;;il'#d"mas'ore
auto_
revole,'.a, Hermann von Helnholtz
(1821-1894)
che- nelrasuafamosa
Fa-
r, parora
<eletrone',
denota
fìee'
;:ffffl:1.:T'&"iK""1,",'#:,ùì
iîn"î":#f#;)::ii,if:::úl
\J unaparticelra
subatomica
dotata
f*T t$ti tt ;Tf,"[Ti""n"9fr,
a
'n*,u"i." ióoo
nirè;ií'ffii; #i
48
à'JIl,ooo,o conception
ofElec:tricif- asseriva
Írr-ri:ri;:"t"d.'q",riir"'
che
di
idrogeno,
tunequeìtcnozioni_fini- <ilrisultaro
pitrst'pefaJentc>
deraleg-
,Hiff'o"""*
ricomprese
uernome
* *:"1g1i';lti"*.f1"..:,,X
LEscENzÉn.351,
novembre
1997
."*,^1"rr,3q.rgq$!;y$
' . i
t
t . ,
:
Un tubo a raggi catodici analogo a quello con cui J. J. Thomson misurò, nel 1897, il rapporto tra carica e massa dell'elettrone.
nomeni elettrici e magneticielaborata,a
ze sono compostedi atomi, ancheI'elettricità deve esseredivisa in <definite partire dal 1846, da Wilhelm Eduard
porzioni elementari che si comportano Weber (1804-1891),una teoria basata
sulla nozionedi caricaelettricadiscreta
come atomi di elettricitb.
Se è innegabileche Stoneyprecedet- e di correnteelettricacome moto di cate von Helmholtz nel parlaredi quantita riche. A differenza di quanto veniva
proponendoFaraday,fautoredi un'inteelementaredi carica, e se pure è certo
razioneelettromagneticache si trasmetche fu lo stessoStoneynel 1891il prite in un continuo, la teoria di Weber
mo a proporre per questa il nome di
<<elettrone>>,
esprimevale interazionitra caricheeletè altrettantovero che la diffusione dell'idea della atomicita della triche discretesotto forma di una forza
fondamentaleagentea distanza.
carica deve molto al grande credito
Se quindi siamoportati a concludere
scientificodi von Helmholtz.Ma sarebche Weber e Faraday furono, in larga
be errato concludereche Stoney e von
Helmholtz siano stati i primi a prendere misura,gli antesignanidella nozionedi
in considerazioneI'idea di una struttura elettrone, è altresì opportuno sottolidiscreta dell'elettricità da cui sarebbe nearela profondadiversitadelleloro rispettiveconcezioni,una diversitàche,
derivata la nozione di elettrone. Entrambi gli autori, infatti, si rifacevano proprio a partire dalla grandeinfluenza
che le idee di Faradaye Weber eserciagli studi di Faradaysull'elettrolisi connettendolicon le concezioniatomistiche tarono rispettivamentein Gran Bretagna e in Germania,si sostanziònella
propostein ambito chimico. Proprio Faraday, con I'aiuto dello storico della contrapposizionetra elettrodinamicatedesca(e, più in generale,continentale)
scienzaWilliam Whewell, era stato comericordavaJ. C. Maxwell nel 1873 ed elettrodinamica britannica. Ancor- I'inventore dei nuovi termini <<ione>>, ché schematicae, quindi, non sempre
<<anione>>
riferiti all'unità
applicabile al lavoro complessivodei
e <<catione>,
di carica costante messa in evidenza singoli scienziati,questa contrapposinei suoi esperimenti sull'elettrolisi. zione presele mosseda due diversi apD'altronde von Helmholtz aveva piùr procci all'elettrodinamica:quello basato sull'azionea distanzae quellobasato
volte fatto riferimento alla teoria dei fe-
sull'azionemediatadall'etere(o, come
diremmo oggi, dal campo). I connotati
principali di questidue filoni di ricerca
possonocosì essereriassunti.L'elettrodinamica tedesca, almeno fino agli
esperimenti di Hertz sull'identità tra
onde elethomagnetichee onde luminose, compiuti nella secondametà degli
anni 1880,consideravala caricaelettrica e le correnti elettrichecome nozioni
primitive, appellandosia una concezione sostanzialisticadell'elettricità. Le
azioni elementari tra le cariche elettrichevenivanointerpretatealla luce della
nozionedi azionea distanza.istantanea
o ritardata.L'elettrodinamicabritannica, invece, almeno fino ai primi anni
novanta del secolo scorso, rifiutava
qualunque concezionesostanzialistica
dell'elettricità(in analogiaal rifiuto del
caloriconelle teoriedel calore)e consideravacome nozioneprimitiva la polarizzazionedell'etere, da cui derivare le
nozioni di carica e di corrente.In questo quadro I'idea di azione a distanza
veniva sostituita da quella di azione
contigua, mediata da un eter€ immateriale. Un importante punto di contatto
tra questedue concezioniera costituito
dall'obiettivo di una riduzionedi tutti i
fenomenifisici alla meccanica.
I.EscrENZEn. 351, novembre 1997
*
49
Qui soprq JosephJohn Thomsonarmeggiain laboratorio con un tubo a raggi catodicl A sinistra, Pieter Zeeman,scopritore dell'omonimo effetto, in compagniadi Albert Einstein.
La scopertadell'elettrone si situò in
quella fase, ricorrente nella storia delle scienze,in cui gli epigoni di scuole
contrapposte,dopo aver militato in modo più o meno convinto in una di queste, anche sulla spinta di nuove idee
e di nuove evidenze sperimentali, si
emanciparono dai rispettivi itinerari
formativi. Una maggiore liberta di utilizzare idee provenienti dalle diverse
tradizioni aprì nuovi e più generali
orizzontralla ricerca e all'elaborazione
intellettuale. Nuove nozioni vennero
introdotte, consolidati stereotipi furono
abbandonati,nuove valenzereferenziali
vennero attribuite a nomi che designavano oggetti i cui caratteri acquistarono
forme radicahnentediverse.
In questo senso i due campi da cui
arrivarono le maggiori sollecitazioni
furono quello relativo alla scoperta di
diverse forme di <<radiazione>
e quello
relativo alle ricerche spettroscopiche,e
non a caso le evidenze sperimentali
concernentiI' eletfone si manifestarono
proprio in questi due settori, grazie
principalmenteall'opera di J. J. Thomson, Walter Kaufinann (1871-1947),
JohannEmil Wiechert (1861-1928)e
Pieter Zeeman( I 865-I 943).
Già Faradaysi era accorto che quando
una scaricaeletfica attraversavaun gas
rarefattosi producevanonuovi fenomeni.
I limiti della tecnologia sperimentalea
sua disposizione,in particolare la nuncanzadi dispositivi che producesseroun
buon livello di rnroto, gli avevano pero
impedito di compiere indagini soddisfacenti in questosettore.La rapida crescita
delle tecriologiedel vuoto, in larga parte
detenninata dalle esigenze di wiluppo
dell'industia chimica" permise,a partire
dalla fine degli anni cinquanta del XD(
secolo,di acquisireuna quantitàcrescen-
50
:*
LEscIENzE
1997
n. 351.novembre
t€ di informazioni sulla fenomenologia legata alla scarica eletfiica nei gas
rarefatti. I lavori pionieristici di Julius
Plúcker(1801-1868)e Wilhehn Hittorf
(1824-1914), wiluppati in seguito da
Eugen Goldstein (185G,1930),Charles
Varley (1828-1883)e William Crookes
( I 832-I 9 I 9), determinavanochiaramente alcunedelle proprietà fondamentalidi
quelli che Goldstein nel 1879 chiamava <<raggi
catodicil>:un <<quarto
statodella materio> come scriveva Crookes nel
1880 (riferendosi ancora a un lavoro di
Faradaydel 1816).
Quello che non era chiaro era se i
raggl catodici fossero un fenomeno di
tipo ondulatorio, e quindi riconducibile
a qualcheprocessoaventeluogo nell'etere, o se invece la loro natura fosse corpuscolare:una controversia che
spingeva sia verso una problematiztazione della nozione di eteree delle interazioni tra etere e materia, sia verso un
approfondimentodella teoria elettromagneticadella luce. Quello che invecesarebbe apparsovia via più chiaro, tra il
1880e il 1890,era la sempremaggiore
contiguitàtra il lavoro dei fisici e quello
dei chimici. Scriveva Thomson nel
1894:<<Penso
che gli esperimentiprecedenti [sulle scariche di elettricità attraverso i gas, N.d.A.l siano suffrcienti a
mostrarele strette analogie esistentitra i
fenomeni della combinazione chimica e
quelli della scarica elettric4 e fanno
sperareche lo studio del passaggiodelI'elettricità atfraversoi gaspossaessere
il mezzo per far luce sul meccanismo
della combinazione chimica. Il lavoro
dei chimici e dei fisici può essereparagonato a quello di due gruppi di ingegneri che scavano una galleria da due
estremi opposti. Non si sono ancora inconmti, ma sono arrivati così vicini da
poter sentire il rumore degli avanzamenti gli uni degli altril.
Una strettarelazionetra chimica e fisica connotava anche le ricerche spettroscopichea partire dalla fine degli anni cinquanta. L'ipotesi che la luce
emessao assorbitasecondouna precisa
successionedi lunghezzed'onda, tipica
di ogni materiale, dovesse in qualche
modo essereconnessacon I'ipotesi di
una struttura atomica della materia venne via via affermandosi nella seconda metà dell'Ottocento. Gli oppositori
dell'atomismo lo consideravano solo
una prima, prourisoria approssimazione che sarebbestata superatauna volta
che si fosseapprodatia una teoria completa. Grazie,però, alla costantecrescita delle tecnologie ottiche, la grande
varietà degli spettri via via osservatie
la loro dipendenzadalle condizioni fisiche al contorno (temperatura, campi
elettrici e magnetici eccetera)sembravano, per molti, un semprepiù chiaro
indizio a favore non solo della stnrttura
atomica della materia" ma anche del
fatto che I'atomo non fosse I'oggetto
indivisibile che il suo nome stava a significare (anche se erano in pochi a
prendere in considerazionela possibilità di scindereI'atomo nei suoi componenti). lndicaeioni in questo sensovenivano, tra I'altro, dai tentativi di risalire alla composizionedelle stelle e alla
loro evoluzione sulla base dell'analisi
spettroscopica della luce che queste
emettevano.
In questi studi si erano impegnati, ta
gli altri, Stoney e JosephNorman Lockyer (1836-1920). Proprio Stoney fu
I'artefice, nel 1891, di uno dei primi
modelli atomici in cui cariche unitarie prive di massache riteneva non potesseroesserescissedall'atomo, e che
chiamò <eletúoni>, si muovevano alI'interno dell'atomo di moto periodico
su opportunetraiettorie circolari o ellittiche. D'altra parte,Lockyer proponeva
nel 1876 I'ipotesi della <dissociazione
celeste>>
degli elementi chimici, secondo la quale le condizioni fisiche sul Sole (ben più intensedi quelle riproducibili in laboratorio) erano tali da innescarela scissionedegli atomi nelle loro
più semplici particelle costituenti.Alla
base della proposta di Lockyer stava
I'ipotesi, avanzata da William Prout
(1785-1850)
nel 1815,secondo
la quale
<le cosemateriali> eranoin ultima analisi costituite da aggregatidi un solo tipo di particella <primario o <primordiale>.Anche se diverse furono le idee
che andarono formandosi sulla natura
della <<sostanzaprimordiale>, tra il
1870 e il 1890 varianti dell'ipotesi di
Prout influenzarono sia le ricerche
spettroscopichesia gli studi sui raggr
catodici. La teoria della dissociazione
di Lockyer, criticata da molti suoi contemporanei,trovò il favore di almeno
due influenti scienziati impegnati nel
campo delle ricerche sulle radiazioni e
sui fenomeni spetfioscopici: Arthur
Schuster(1851-1934)e Crookes.Quest'ultimo suggeriva nel 1887 che tutti
gli elementi fosseroprodotti da un processo di evoluzione chimico-fisica a
partire da una materia primordiale che
Crookes chiamava <protyle>. Questa
idea di unita fondamentaledella marcria rimandavaalla più generaleesigenza di trovare un quadro unitario della
scienza,rtna delle motivazioni forti alla
basedel lavoro di J. J. Thomson.
{ a contoversia sulla natura dei raggi
..t- catodici aveva finito per sostanziarsi in una nuova contrapposizionetra la
scuolabritannica,favorevolea un'interpretazioneparticellare,e la scuolatedesca che, con I'eccezionedi alcuni studiosi come Plùcker e von Helnholtz,
appoggiava un'interpretazione eterea
(ondulatoria).Da questanuova contrapposizione,sia detto per inciso, sarebbe
germinatala propostadi una diversa relazione úa fenomeni meccanici ed elettromagnetici: non più la riduzione delI'eletFomagnetismoalla meccanica,ma
la ricomprensione della meccanica su
basi eletkomagnetiche.Questaproposta"
che fu chiamata <concezioneelettromagnetica della natuo>, ebbe una fondamentale
negli sviluppi della
fisica del primo Novecento.
Era noto che se una particella carica
in moto su una haiettoria rettilinea"per
esempio lungo I'asse r, passavaattraverso uu campo magnetico uniforme
diretto lungo I'assey, la traiettoria subiva una deflessione nella direzione
dell'assez, di verso positivo o negativo
NATARE
396
rnil tho rc
etancnt c rtonic udccnle crirtiw -mrtlcr
la dificcot
coditioru
of mnbilit'.
Thc css€trtid udty of
lr rn
htpothair
ia brrooay iith thc cqod rction of rrrvitr
tpon rll
bodicr.'
I nor cooc to Sir Ban-jruia Brorfidrhoó
*c hevc
p btcly ld, thc llt of thc glcet-Eoglish triumvirrtc to wbou
I nc.n to Éfcr.
His
I hnn drerdr rtrtcd h blr oyu
"icrr rgrin strb that rr cerly s 1867,
tod+
brrt I rry
hac
lA*gast a5, r88r
rlnort, wc Drt !rt, beforc thc tpccborcopc tod bcco rpCid to
tbc mq srocpt in thc gtocrd rry, rbich *rr crrtcd br Fnn
bofct rnd Kircbhotr, [c pmpùcricd thrt tbc rolrr frar sould
bcrsIthink*chrrt
fouìd-thco.
Thrt b to grt h ttrtcd
hL bdicf thrt rt tbc robr tcopcrrture
tbc cortitriàt
of c
clcmeotry bodlc wotld bc fooid cdltltrg In lndcpcndqrt forq"
Thc grcecrt cbenicrl philrophcr
mr-lirlng
lf,. Dung, o
Proronrg or îHt ltoo-Grrrrrrc
Lrxcuecrs.
Anglo.Soronr.
Ifigh.Gcroen*
f.ow.Gcrurnr"
I
Nerhcrlendcrr
I
t__J
t.
__r_*r
Ancicat -cnronr.
I
Sgxonr.
Scmdintvians.
Fririanr
I
Lov.Gérmaru.
Ancicat Britirl
**J*
s**
I
Anciot
I
Iriú.
"r__J
s***t
tl
tl
ll
s"u'c*
l.uoro
I
.
I c*tr
ll
I
Britteacra
l
=_
e"irinr"
-T-_
II
l
Grcctr.
rnaiem.I
lîIr l
I
oL
Albuc*.
I
I
Scotclu
Grcco-Roosnr.
L___._...__t
Ario-Rómens.
Indo.Germanic.
long ego s.t836 publishcdr*ricof
lccturtr in rhích tis
--"iittl^ut relalionrhi;r^ísnot toùc dcpcrxlcdrpon to ci6.
| !g e_ho1thrt
wcre YCrYclcerlv stucd indcc4 etd llv onc wbo rcrds {cwl
thcm I blish tt
a vier. - li thcn, thc ihrcc grcatr:t tingtish
will eccúow coí"incca bc *:r tiror oiihi;*il;rrui.
nnmc.rnd rhc srort emincnt chcilicar phitoro.
| ;;tà:!:;r
of cvidcnccthrt hrd drcrdy bccnrccrauhcd in fsrour "ro-i
orrm I ptoiìi
É;;;
giù- ti,iii.r*"ril-ili*:i
tffi"t;
;li;
oql'GlcDctrt.lv nrturc of i Srat numbcr of tubstanccstL;
""d orurc chefriod clcment*,cnn theecsimplct
*--1il;;;i;;"tbcrthonthcrerc<lcrectt5rn
naturc
I íi.
cbsrdúacríartr
"".p.iìà
nnsof
rtr.srì.c
:
^.
_
.
.-l-:.-Thca aerio wìe crn p""s to enothcr chemicet
iiilil;hi"t
arxr the:rrreené of
.phitoar.rpbcr,I i;;;f-h;ìilJ;",iltììi'
KoPP. rà'nir rtsctoi
oo epccihclelb he rtso gii;;;ti;;
| il;,ttù
.ii'"y *r. not tlcormposal,lc
in thc tatxrrntory; if they
In una serie dÍ articoli dal titoto Físícasolare: la chìmìcadel Sole,apparsi su <4r1ature>>nel 1881'Lockyer affrontavg tra I'altro, quella che chiam"o".,l" nuovate(F
ria dell'evoluzionechimica>.Egli affermava che dagli studi spettroscopicisul Sole
e sulle stelle si poteva ricavare una visione evolutiva delle spóciecnimiche.All'aumentare della temperatura si assistevaa un processodi decomposizionedegli elementi chimici complessinei loro costituenti semprepiù elemeni"ri g viceversa,al
diminuire della temperatura si assistevaalla compoii"ione dei costituenti elementari primordiali in
-aggregatisempre più compleisi. Un'ipotesi di questo genere
traeva Îorz4 secondoLockyer, dal fatto che in diversi <regni della naturan, in altre_<<regioni
del pensiero>,si andavanoevidenziandoprocéssidi tipo evolutivo. Il
richiamo all'unità dells natura, sottesoa questaunicità di chiaveinìerpretativg lo
portava ad affermare che la migliore immagine mentale che ci si poteva fare per
rsppresentarele evidenzespettrali provenientÍ dat Sole e dalle stelteera quena di
considerarei raggruppamentimolecolari che le producevanocomesomiglianti alla
progressivadifferenziazionedelle lingue europees partire dal comune[eppo <<indogermanico>.L'evoluzione del tinguaggio sàrebbe stata analoga a quella degli
elementichimici via via chela temperafura diminuival nell'una cómenell'altra rim&nevanoalcuneforme costtnti tramite le quali si potevanoricostruire le parente'
le che avrebberopermessodi risarire ar comuneelementoprimordiale.
LEscrENzE
n. 35I , novembre1997
5I
I raggi catodicihanno caricanegativa
sotto è riprodottoil dispositivocon cui penin nel 1g9s mise in
llri
\:( evidenzache i raggi catodicisono portatoridi caricanegativa.All'intemo di un tubo a vuoto era postoun cilindrometallicoABCDchiusoda
tutti i lati a eccezionedi una piccolaaperturaa, al centrodella base gc.
un filo metiallico,
saldatoin s ar centrodi AD, collegavail cilindroa un
DELL'ELETTROSCOPIO
te al catodo,ma lateralmente
a questo.I raggicatodici non penetravano
nel cilindrose nonquandoun opportuno campo magnetico li defletteva,facendoli
passareattraversole fendituredei cilindri.La defleslbn" subìtadai <corpuscoli>e quellasubita dagli
o
o
g
6
O
o
a0
J
elettroscopio.
un secondocilindroEFGHmunitodi due piccoleaperture,p !,
e T,era collegatoa tena e con la gabbiadell'elettroscopio
e avevalo scopo di schermareil cilindroABàD dalleinfluenzeelettricheesteme.I raggi o
;
catodiciviaggiavanodal catodoN al cilindroEFGH,che fungevada ano- e
do, e, attraversole apertureF e o, entravanonel cilindroAB}D. che fun- o
aa
gevada gabbiadi Faraday.In tal modo,con I'elettroscopio,
penin osser- o
ct
vavache il cilindroABCD si caricavadi elettricitànegativa.Se si ponevail !
tubotra i polidi un'elettrocalamita,
i raggicatodicivenivanodeflessie non oo)
penetravano
più nel cilindro,che non si caricava.ll fatto che nel dispositi- :o
vo di Peninil cilindroABCDsitrovassedifronteall'anodoavevacondotto
alcunifautori della teoria eterea a obiettareche, certo, atomi portatoridi
caricarespintidal catodoentravanoin ABCD,ma questinon avevanoa
che fare con i raggi catodicimortopiù di quantouna palla di fucile ha a
atomicarichi,ipotizzatidai fautoridellateoriaeterea,
chefare con il lampoche si producequandoilfucilespara.
avrebberodovutoessere diverse,stantela grande
consapevoledi questaobiezione,Thomsonridisegnavala geometria differenzadi massa,e Thomson
in tal modoeliminaponendoi cilindricoassialicon le lorofènditurenon difrondelf'esperienza
va I'obiezione
sollevatia
controPenin.
@
J
F
a secondadel segno della carica e del
verso.del campo. Ripetendo la stessa
espenenzacon un campo elettrostatico
diretto lungo z,la traiettoria subiva una
deflessionenella direzione z, di verso
positivo o negativoa secondadel segno
della carica e del verso del campo- In
questosenso,la proprietà dei raggi catodici di esseredeflessi da parte di un
campo magnetico sembravaessereuna
chiara indicazionea sostegnodella teoria particellaree avevaportato Varley a
ipotizz:areche le particelle dei raggi catodici trasportasserouna carica elettrica
negativa.Su questacongetturaera tornato nel 1879 Crookesinterpretandoi
raggi catodici come molecole del gas
residuonei tubi, che acquistavanocarica negativanei loro urti con il catodo,
venendopoi da questo respinte ad alta
velocita.Ma nel 1883Hertz,mostrando
che i raggl catodici non venivano deflessi da un campoelethostatico,metteva in crisi I'interpretazioneparticellare.
D'altra parte, ancora Hertz nel l89l
realizzavaesperimenti,ripresi e sviluppati da Lenardnel 1893e nel 1894,nei
quali i raggi catodici attraversavanosot52 LEscrENzE
n. 351.novembre
1997
tili lamine d'oro: I'attraversamentodi
materiasolida da parte dei raggi catodici sembrava un'ulteriore riprova che
questi non fossero altro che onde di
piccolalunghezzad'onda.
Nonostante che gli esperimenti di
Hertz e Lenard avesseroil sapore di
esperimenticruciali in favore della natura ondulatoria dei raggi, le ricerche
aventi come tiferimento il modello particellare continuarono.Tra il 1883 e il
1895 la fenomenologiadella scarica
elettrica attraversoi gas fu sistematicamente analizzata e ulteriori varianti
delle congetture di Varley e Crookes
venneroprese via via in considerazione. Una prima, nuova evidenzaindiretta in favore dell'interpretazione particellare venne dalle misure fatte da J. J.
Thomson nel 1894 sulla velocità dei
raggi catodici. Un'onda nell'etere avrebbe dovuto propagarsi alla velocità
della luce, mentre la velocità dei raggi
catodici risultava sempre inferiore. Fu
però un giovane fisico francese,Jean
Perrin (1870-1942),a eseguirei primi
esperimentiche segnaronola vera svolta a favoredell'interpretazione
particel-
lare. Perrin, nell'introduzionea un suo
articolo, si rifaceva esplicitamente
alla
congetturadi Crookes e riportava i risultati di Hertz e Lenard giudicandoli
non conclusivi. I <proiettili catodici>,
affermavaPerrin, possonodifferire dalle molecole per dimensionee velocità in modo tale da poter attraversare
una pareteimpermeabilealle molecole.
Quindi prima di rifiutare la teoria delI'emissione(particellare)bisognavaassicurarsiche i raggi catodicinon fossero eletúzzati. L'apparato sperimentale
da lui approntatopermettevaproprio di
metterein evidenzache i raggrcatodici
eranoportatori di caricanegativa.
Se le esperienzedi Thomsone perrin
aprivanoun nuovo capitolo della controversiasulla naturadei raggi catodici,
negli stessianni due nuove scopertedovevanorivoluzionarela fisica delle radiazioni, aumentandoI'impressionedi
inadeguatezzadei quadri teorici a disposizione.Verso la fine del 1895 veniva pubblicato I'articolo di Wilhelm
ConradRóntgen(1845-1923)
sullascoperta dei raggr X, e nei primi mesi del
1896Henri Becquerel
(1852-1908)
os-
;:# L\i
*i6*jà&*&lúir
;-+f;-
-r.r.a+a'ì;*4r."*.ti*i
é-,.-,,.,,.*,
.:.., .:. Àii1aùoili{|Èns!ÉJÀ*!g5flÈi&À4i1*&,;rtr!:,r6!
;r.íùN.É&dif;b.dralc&iFòb;..--'"
*'..e**
H (USCENTE)
vo+Av
: i
laulAv
<---------------
vo-Av
<-_.-...-_.--_
vo
vo+Av
chele due righe
7*eman avevaossenvato
D del sodiosubivanoun sllargamentoin
di un campomagneticoH. La
preseruza
teoria di Lorentz descrivevale frequenze
emesseo assorbite dalla materia sulla
carichi elettribasedel moto degli <<ionb>
camente.Per,úI= 0 gli ioni si muovevano
di moto armonico con frequenzr vr. Per
H*ùrinvece, il moto degli ioni era altea Hrla
rato g nel piano perpendicolane
frequenza di oscillazionev0 si divideva
nelle due vibrazioni di frequenzavo* Av
€ Vo- Avo dove Av è ProPorzionale al
campoH e al rtppoÉo carica/massadelI'elettrone. Nel piano di lll, invece,si avevano le tre vibrazioni (tripletto) vo- Av'
v0 e v0* Av. Nei suoi primi esperimenti
non riuscivaa ridel 189G1897,Txr;main
solverele due righe D del sodionelleloro
diverse componenti ma ne ossenava
I'allargamento.La misusemplicemente
ra dell'allargamento,Però' g[ bastavaa
dare una prima stima del valore dt elm.
A destrq la versionedel tubo di Perrin
perfezionatada J. J. Thomsonnel1897e
impiegata per dimostrare che la carica
elettrica dei raggi catodici è negativa
servavaper la prima volta la radiazione
emessada un saledi uranio. Fu proprio
in questo contestoche awenne la scoperta dell'eletfrone.
La scopertadei raggi X stimolò notevolmente il lavoro teorico e sperimentale intorno ai fenomeni legati alle scariche nei gas, su cui Thomson lavorava
da più di dieci anni. In particolare, la
capacità dei raggt X di ionizzare i gas
permisea Thomson,tr il 1896e i Primi
mesi del 1897, di chiarire i rapporti tra
radiazionee conducibilità dei gas, confermando una congettura da lui già
avanzatanel 1893 che spiegavacome
mai Hertz, nel 1883,non avesseosservato la deflessionedei raggr catodici in
un campo eletfosAtico. In analogiacon
quanto aweniva per i raggi X, il passaggio della radiazionecatodica in un
tubo in cui il vuoto non era sufficientemente spinto producevauna ionizzazione del gas residuo. Se orq tramite due
placchettecollegateai terminali di una
batteria, si gmerava un cÍImpo elettrico
alla traietnel tubo perpendicolamrente
toria dei mggr, il flusso degli ioni negativi verso la placcacaricapositivamente
e quello degli ioni positivi verso la placca carica negativanente avevano I'effetto di schermareil campo, impedendo
I'osservazionedella deflessionedei raggi catodici. Se però si portava il vuoto
nel tubo a livelli più alti, I'effetto di
schermo del campo diminuiva e la deflessionepotevadiventareosservabile.
Dopo un primo lavoro, comunicato
l'8 febbraiodel 1897,e un secondo,discussoil 30 aprile, il suo lavoro finale,
scritto in agostoe pubblicato in ottobre
dello stessoanno, contenevala sintesi
sperimentalee teorica che è giustamente nota come la <scopertadell'elettrone>>.In questo articolo Thomson, dopo
aver sintetizzato la controversia sulla
natura dei raggi catodici, descriveva
I'esperienzadi Perrin con un nuovo dispositivo, che permetteva di superare
alcune critiche mosse a Perrin dai fautori dell'interpretazione ondulatoria.
Veniva poi trattata la deflessione dei
raggi catodici da parte di un campo
eletfrostatico, dimostrando punhralmente i limiti dell'esperimento di Hertz.
Dopo aver affrontato il tema della conducibilita di un gas attraversatodai rag-
gi catodici, Thomson descriveva la deflessione magneticaed eletfrostaticadei
raggi catodici nei diversi gas, fornendo
due metodologieper deùerminareil rap
porto tra massae carica"mle,per i <corpuscolb costituenti i raggr. Questorap
porto (dell'ordine di 1ù7 granmi/emu
emu = electromagnetíc unit) risultava
di tre ordini di grandezza inferiore al
rapporto mle per lo ione idrogeno nelI'elettrolisi (dell'ordine di lù1 grammilernu). Dal fatto che il rapporto mle
rimanesse costante qualunque fosse il
gas attraversatodalla scarica,Thomson
concludevache da manierapiù semplice e diretta per spiegare questi fatti si
fiova nella visione della costituzione
degli elementi chimici accettatada molti chimici, e cioe che gli atomi dei diversi elementi chimici sono aggregati
differenti di atomi dello stessogenereD.
Prout e Lockyer venivano esplicitamente citati tra i fautori di questa visione,
con un chiaro riferimento all'unità fondamentale della materia. Gli intensi
campi elettrici nelle vicinanze del catodo dissociavano de molecole> e le
scindevano non negli ordinari atomi
1997 53
LEscIENan. 351,novembre
chimici (come credevano prout
- e, in
certa misura, Lockyer), ma
-'shs in qìrrti
<<atomíprimordiali,,,
ii,Àron
ch^iamava(corpuscofin. SirrorJ'ogni
1:ro..r.. y ag€regarodi corpuscoli
separati
tra loro e g*A airt"r[],
che le esperienzeat r.n".a-;;;uno un_
--ài.".ig,
una loro spieeazione, ,ulL
della cong.-tturi o plr. n'ir.""T"
il
di dimensi"ri.'ilr"_
t:*.corpuscoli
crta opportunepotevanoaffraversare
la
materiasolida.
Nello stessoanno Wiechert
e Kauf_
*r*..troyavano, con esperir*.
a qu.elledi Thomson,uno stesso ririli
valore
per il rapportoelm. i[a,p*,"g,*i'Oiy9rse, entrambi non arrivau_ò i__._
diatamentea interpretarele
;;;;;;r_
ticelle come costituenti
O.fi;.r*"ii
questoun casodi scoperta
simultaneail
cli merito va a chi O .iur.iio';;;;;r,
-d;
I'interpretazione vince";;
;;;"no osservato.
novità in edicofo
ein fibreriq
o
A differenzadi Thomson,di
Wiechert e di Kaufrnannche,comelir.*_o
oggi, si occupavano
dí elettrooi^ìiur.i,
Zeeman
arrivàva,tra il laq6 ;ìì'tggl,
alla determinazione
Aef ,appoii
per via spettroscopica
"t^
(cioè,'i'nnorurio_
ne moderna,coniiderando'if
rnot ai
eletrroni legati nell,atornol.
Zi.il""
avevaosservato
chele due'righeó di
assorbimento
dello spetrroa?T-*Oio
alargare
dàll,azio;;- ai un
:::tluoo
campo
magnetico.La spiegazione
di
guestofenomenofu suggeriiuAu^.t
É.o_
drik-AntoonLorentz
1it"Sl_LIZS) r,
tra il 1892e il t89S.iponr*
fu";;.
formacompiutaOiqueffu ct,
a*J"L.a
nota cometeoriadell,elettron.
Íentz,in cui conrributip.o*ni.iiiOi-l_o_
filone di studi dell'azióne;;;;;;"" iut
venivanoinseritinel conteìr"
A.ff"ì""_
ria dei_campi
di Maxweii;-H.;. i._
..o_ndo
Lorentzle <molecok,;;il;;"_
ti la materiacontenevano
particelle
ri.cheelementari,da lui ,iiurut, ca_
*i_
zialmente
<ioni>.
o
In preperezione:
NAsglIAEfvloRrE
DEIIEsTEtfdrr
(dicembrc
t 99i7l
TEMBRI9TIE
ErA VfrA
r 'r'
(febbroio lqgd
54
LEscrENzE
n. 351,novembre1997
Eyno queste particelle cariche
in
movimento i mediatori tra rn.rr.iu'oon_
derabile ed erere.n .uÀpo'rnuójtiro
applicato da Zeemanperturbava
periodici delte carictó o.fiutÀ; i moti
;"u_
sando I'allarsam,
rrarr..L,espr.r.
ioi3'lr*:',liutli3t:,,:ffJ:
q" Lorentz
..-l:
r!
permefieva a Zeefran,
"t3 basedelte
sulla
misur" e;iùlt.;;;;"to spettrale, di ricavare il
uut5r*--O.t
rapporto e/m. NIa Zeeman
e Lorentz
non fornivano nessunaintr.pr.iìri-on,
del particolarevalore fovato.
__Per cercare di capire .oÀ. mai né
Wiecher! ne Kaufinànn,
"l'Z..niuo "
<<scoprirono
I'eíettro;;;;-;"!*nlr
cessario
chiarire alcune qu.riioni ;rrrpretativeche in quegli uoni port"u;;;
contrapporre il <corpuscoló
"
Oi etettricità>all'<eleffrone>.
'/../
í:{.,;;,,,";,"
.^
"-*i*;;,.,, *****; **L**--,.
..,-
Oltre a Lorentz,ancheJosephLarmor
(1857-1942)avevaesposto,ra il 1894e
il 1897,un primo abboz.zodi una teoria
generaledei fenomsni elettrici e magnetici basata su cariche elettriche discrete
associateagli atomi materiali.Molti erano i punti di contatto m queste teorie,
ancheseLarmor, a differenzadi Lorentz,
vedeva I'etere elettromagneticocome
forma fondamentaledella realtà e gli
<elettroni> (un nome che egli utilizzava
già nel 1894)comeparticolariconcentrazioni di energianell'etere la cui massa
apparenteera tutta di origine eletffomagnetica. Proprio Larmor fir" in seguito,
uno dei principali esponantidella concezione elettromagneticadella natura. Sia
la teoria di Lorentz sia quella di Larmor
enrnorivolte, in quegli anni, prima di nrtto a chiarire i rapporti tra la teoria elettomagnetica di Maxwell-Hertz e I'esistenzadi portatori di carica eletfica che
si muovevanonell'etere. L'idea di una
materia contenentecariche elettriche era
essenzialmentefunzionale alla spiegazione delle interazioni na materia e onde
eletfromagnetiche,mentre il problema
della stnrttura dell'atomo, che in breve
sarebh diventato uno dei temi centali,
veniva relegato in secondo piano. Al
confario Thomson,perseguandoun prograrnma di riunificazione della chimica
alla fisica, era particolarmenteinteressato agli atomi e alla loro natura chimic4 e
consideravail <corpuscoloeletfico> dotato di massacomeI'elementottniysrsale
costitutivodegli atomi chimici.
La caparbia difesa di Thomson del
termine ((corpuscolo>- da lui usato anche nel 1906 nella sul comunicazione
per il conferimentodel premio Nobel contro il termine <elettrone>è, paradossalmente,la confermadella sua scoperta sperimentale,la difesa cioè dell'idea
di aver scopertola particella fondamentale costifuenteI'atomo e non <semplicemente>>
I'elethone immateriale della
teoria di Larmor.
Prima di concludere,val la penanotare che, solo due anni dopo la scoperta
dell'elettrone, Thomson arrivava per
primo a dimostrareche gli stessico{puscoli eranopresentinell'effetto fotoelettrico, e forniva le prime stime assolute
del valore della carica(la cui determinazione piu precisadoveva aspettarei lavori di Millikan del 1916).La determinazionedel valore di e en ottenutacon
un metodo - scopertoin quegli anni da
un suo studente,C. T. R. Wilson - basato sul fatto che particelle carichepossono formarenuclei intorno ai quali un vapore acqueo soprasaturopuò condensare. Questatecnica si rivelò importantissima negli studi successividella fenomenologiadelle particelleelementari.
Se la scopertadell'elettroneappariva, pochi anni dopo, come la scoperta
L'esperienzadi Thomson
[n un tubo a vuoto, i raggi provenientidal catodo C attraversavanouna fendihrraA
I praticatra
nell'anodo;dopo esserepassatiper una secondafenditurag, che serviva
da collimatore,viaggiavano(nelladirezionex) fa due placcheparalleledi alluminioM
ed N, di lunghezza/; i raggi giungevano,infine,all'esfemitadel tubo e producevano
una ben definitra
macchiolinafosforescentela c1jiposizionevenivarilevatra
su una scala
millimetrata.Connettendole placcheM e N con i terminalidi una batteria,si produceva
un campoelettricoE in direzionez. A secondadel tipo di esperienzesi potevaavere,
nellastessaregionedelleplacche,un campomagneticoH in direzioney. E e H provocavanodeflessionidei ragginelladirezionez di segnoopposto.Indicatra
con y la vele
cita dei raggi,il tempodi athaversamento
dellaregionedi lungheza ldove si potevano
averele deflessioniera //v. Posto,inizialmente,E * 0 e H = 0, la velocitav, nelladirezionedi E era datada (eím) x (llv),e I'angolo0 di deflessione
dei raggiquandolasciavano fa regionein cui agiva il campoera 0 = vtv = (eím\ x (llú1. Supposto,invece,
H * 0 e d E= 0, l avel oci tavrl ungozeradati ada(eH vl ml x(l l v)el ' angologdi
def , essionedei raggiquandolasciavano
la regionein cuiagivail campoera g = vJv= (eHlm)
x (llv).Si ottenevaquindi:
v= (0/0)x (Eln
e
mle = H2gllEV
FissatoE si potevafar variareH in modo da annullarela deflessionetotale,nel
qualcasoÓ=0e:
v=(Eln
e
mle=H2llEg
NotipertantoH ed E, dallamisuradi 0 si ncavavamle.
di una (ouova Americo>, oggi, a distanzadi cento anni, essadimostratutta
la sua sovrabbondante fertilità per i
progressi della scienzae della tecnica
nel XX secolo.La teoria della relatività
di Einstein prende le mosse dall'elettrodinamica dei corpi in movimento e
la descrizionedella dinamicadegli eletfoni all'interno dell'atomo è uno dei
punti di partenzadella meccanicaquan-
tistica. Infine, I'eletfiodinamica quantistica è il primo tentativo di armonizzare
la teoria della relatività risfretta con la
meccanicaquantistic4 un modello per
le successiveteorie che tattano delle
particelle elementari.E, parallelamente
a questericerchenell'ambito della fisica teorica, si dispiegano gli sviluppi
teurologici che, sotto il nome di <elettronica>>,
segnanola nostraepoca.
GIULIO PEP.UZZI è nato nel 1960 a Firenzee ha conseguitoil dottorato di ricercain fisica a Genova.È stato research associatepressoi;Istituto di matematica
dell'Univenita di Monaco di Bavier4 con una borsadella DeutscheForschungsgemeinschaft(DFG). Atnralmenteè borsistapost dottoratopressoil Dipartimento di
fisica nuclearee teorica di Pavia.
ANDERSON
D., TheDiscoveryof the Electron, Princeton,1964,.
FALCONER
1.,Corpuscles,Electrons, and Cathode Rays:J. J. Thomsonand the
lisc9u_eryof the Electron in <British Journal for the History of Scienco, 20, pp.
24t-276,1987.
FERRER
5.,Arthur Schuster,J. J. Thomson,and the Discovery of the Electron rn
<HistoricalStudiesin the PhysicalSciences>>,
2011,pp. 3341,1989.
LEscrENzE
n. 351,novembre1997 55