1932, “annus mirabilis” della fisica - INFN-LNF

1932, “annus
mirabilis” della fisica
Il neutrone è il partner elettricamente neutro del protone con cui
costruisce la materia esistente nell’universo. Enrico Fermi con i
“ragazzi di via Panisperna” lo trasformò in un potente strumento
per la produzione di sostanze radioattive artificiali per molteplici
applicazioni, soprattutto mediche. I neutroni garantiscono le reazioni a catena nelle centrali atomiche e sono sempre più ampie le
loro applicazioni per analisi non distruttive industriali, per la
biologia, la diagnostica e terapia mediche 1, per controlli ambientali, analisi di opere d’arte e manufatti di valore storico e culturale, fino alla rilevazione delle mine antiuomo.
Il neutrone venne scoperto nel 1932, un “annus mirabilis” della
fisica.
1932, settant’anni fa: il mondo occidentale è stretto nella
morsa della grande depressione, mentre in URSS dilaga la terribile carestia; Mohandas Gandhi inizia uno sciopero della
fame contro la politica inglese verso l’India; il mondo si commuove per il rapimento e l’uccisione del figlio di Lindberg.
Qualche speranza dall’elezione di Franklin Delano Roosevelt
e dall’annuncio del suo “new deal”, dal completamento delle
grandi dighe in USA sul Colorado, in Urss sul Dnjeper (Fig.
1) e dalla bonifica dell’agro romano in Italia.
La cultura sembra in un momento di attesa: la Bauhaus viene
fatta chiudere dai nazisti, i quadri più significativi del 1932
sono di Picasso (Ragazza davanti lo specchio), Klee (Ad
Parnassum), Mondrian (Composizione con due linee nere),
Kandinski (Macchie sonore) (Fig. 2), Dalì (I desideri liquidi) e
Ben Shan (La passione di Sacco e Vanzetti); in Italia si afferma
l’architettura razionalista di Piacentini. Poche grandi opere
letterarie: Roth (La marcia di Radetzky), Gramsci (Quaderni
dal carcere), Steinbeck (I pascoli del cielo), Huxley (Il mondo
nuovo), Lawrence (L’amante di Lady Chatterley), Quasimodo
(Oboe sommerso), Hemingway (Morte nel pomeriggio), Hesse
(Pellegrinaggio in oriente). Fra le opere musicali le partite di
Dallapiccola e di Petrassi, le variazioni per orchestra di
Hindemith, il concerto n. 5 di Prokofiev e il Mosè ed Aronne di
Schoenberg.
Ci si consola con il grande cinema: trionfa Grand Hotel con
Greta Garbo, Joan Crawford, John e Lionel Barrymore,
Venere bionda con Marlene Dietrich e Cary Grant (Fig. 3), il
coraggioso Scarface di Hughes, Tarzan con Weissmüller, The
music box di Laurel e Hardy, e nella prima mostra del cinema
a Venezia viene premiato La grande illusione di Jean Renoir,
mentre Camerini produce Gli uomini che mascalzoni con De
Sica. Approda ad Hollywood anche Betty Boop (7 film), in
casa Disney nasce Goofy (Pippo) ed a Londra la provocante
Jane di Hubbard.
A New York si apre Radio City Music Hall: Fred Astaire por-
SCIENZA
E
CULTURA
ta al successo Night and day di Cole Porter, Armstrong viene
ribattezzato “Satchmo” e registra Home e Hobo, you can’t ride
this train ed Ellington It don’t mean a thing; in Italia Petrolini
lancia Gastone e Tanto pe’ canta, e De Sica Parlami d’amore
Mariù.
È la fisica a dar luce al 1932 con una serie di fondamentali scoperte ed innovazioni: la scoperta del positrone, quella del deuterio e del neutrone (Fig. 4) e conseguentemente la comprensione del nucleo atomico, la prima reazione nucleare artificiale, gli acceleratori Cockroft-Walton ed il ciclotrone, i primi
radioisotopi artificiali. Tutti eventi che hanno segnato la storia della fisica, chiarendo punti cruciali ed aprendo nuove strade alla nostra conoscenza del microcosmo. In questo numero
ripercorriamo la scoperta del neutrone e le sue conseguenze.
Alessandro
Pascolini
Fig.1
L’eroina del lavoro
Yevgenia Romanenko e
la sua squadra sulla
diga del Dnjeper
1 Una nuova
applicazione alla terapia
del cancro è presentata
da PIERO FORCELLA in
questo numero di
INFN-Notizie a pg. 29
2 Per una storia più
dettagliata del neutrone
si può consultare
E. AMALDI,
Physics Reports,
111 (1984), pg.1;
N. FEATHER,
Contemporary Physics,
1 (1960), pg. 191
e pg. 257;
e B. KRÖGER,
Physics
22 (1980), pg. 175.
Il neutrone, la scoperta
Il primo passo verso l’evidenza sperimentale dell’esistenza del
neutrone risale al 1930 2, quando Bothe 3 e Beker a Berlino osservarono una radiazione penetrante emessa da alcuni elementi leggeri in seguito ad irraggiamento con particelle alfa 4:
essi ritennero di trovarsi di fronte a raggi gamma 5 emessi dal
nucleo in seguito all’assorbimento di un’alfa. Il nuovo fenomeno venne discusso nella Conferenza internazionale di fisica nucleare di Roma (ottobre 1931) ed attirò l’interesse di I.
Curie e F. Joliot 6 (Fig. 5) a Parigi e di H. C. Webster a
Cambridge: va ricordato che allora le ricerche di fisica nucleare erano alla frontiera della scienza e si svolgevano di fatto in
pochissime università. Webster osservò un comportamento
della radiazione emessa incompatibile con quello dei fotoni e
suggerì la possibilità che si potesse trattare di “corpuscoli veloci, per esempio di un protone ed un elettrone strettamente
congiunti”, ma esami ulteriori lo convinsero ad abbandonare
questa idea.
I coniugi Joliot-Curie compirono a Parigi nel gennaio 1932
un passo determinante per la scoperta del neutrone. Poiché i
“raggi gamma” secondari avevano molta energia, esaminaro-
3 Walter Wilheim
Bothe ricevette il
premio Nobel nel 1954
per lo sviluppo del
metodo della
coincidenza.
4 Le particelle emesse
nella radioattività alfa
sono nuclei di elio.
5 I raggi gamma sono
fotoni, ossia radiazione
elettromagnetica, come
la luce, di energia
superiore a quella dei
raggi-X.
6 Irène Curie e Frédèric
Joliot ricevettero il
premio Nobel per la
chimica nel 1935 per la
scoperta della
radioattività artificiale.
1
Fig. 2
Vassili Kandinski,
Macchie sonore
Fig. 3
Marlene Dietrich
in Venere bionda
no la possibilità che potessero a loro volta produrre trasmutazioni nucleari: posero quindi fogli sottili di varie sostanze sulla
traiettoria delle radiazioni per vedere se nuove particelle venivano così prodotte. Nel caso di sostanze ricche d’idrogeno
poterono convincersi che una radiazione terziaria esisteva effettivamente: utilizzando un campo magnetico scoprirono
che si trattava di protoni. I risultati da loro osservati non si
conciliavano con quanto noto fino allora sull’interazione di
fotoni con protoni; essendo certi che la radiazione secondaria
fosse di raggi gamma (non erano a conoscenza del lavoro di
Webster), ritennero di trovarsi di fronte ad un nuovo tipo di
interazione fotone-protone.
I loro risultati spinsero James Chadwick 7 (Fig. 6) ad una serie
di esperimenti con un apparato in grado di osservare l’effetto
di una singola particella ionizzante: scoprì così che la radiazione secondaria poteva produrre protoni anche interagendo con
sostanze non idrogenate. Misure dettagliate del bilancio energetico lo portarono ad escludere la possibilità che si trattasse di
fotoni, in base ai principi di conservazione dell’energia e della
quantità di moto, per cui suggerì che la radiazione prodotta
dal bombardamento delle alfa su nuclei leggeri fosse in realtà
una nuova particella neutra e con massa analoga a quella del
protone. I suoi risultati vennero presentati in una lettera a
Nature, datata 17 febbraio 1932, intitolata “possibile esistenza del neutrone”, considerata universalmente come il certificato di nascita della nuova particella.
Va osservato che Bothe e Beker non avevano del tutto torto:
infatti, pochi mesi dopo la scoperta del neutrone, Franco
Rasetti, allora a Berlino-Duhem a lavorare con Lise Meitner,
7 James Chadwick
ricevette il premio
Nobel nel 1935 per la
scoperta del neutrone.
8 Walther Nernst
ricevette il premio
Nobel per la chimica
nel 1920 per i suoi
lavori in
termochimica.
2
potè provare che il berillio irraggiato da particelle alfa oltre a
neutroni emette anche raggi gamma.
Neutrone, il nome
Chadwick nel suo articolo usa il nome “neutrone” per la sua
particella senza alcuna esitazione, segno che il termine era già
di uso corrente nella comunità scientifica.
Il nome “neutrone” venne usato per la prima volta nel 1899
da William Sutherland per spiegare i raggi-X nell’ambito della teoria dell’etere, che allora si riteneva permeasse tutto l’universo quale supporto del campo elettromagnetico; Sutherland
propose un etere composto da elettroni negativi e positivi,
normalmente accoppiati a formare “l’analogo di una molecola materiale che potrebbe convenientemente venir chiamato
neutrone”. La sua teoria era assolutamente fantasiosa e priva
di alcuna base empirica e venne presto dimenticata, ma il
nome rimase e ricomparve nel 1903 in un nuovo contesto nella quarta edizione del trattato di Walther Nernst 8 Theoretische
Chemie: per spiegare la conduzione elettrolitica dei liquidi egli
introduce due particelle elementari prive di massa che chiama
“elettroni positivi” e “negativi”, che si accoppiano appunto in
un “neutrone”, una particella priva di massa, elettricamente
isolante ma polarizzabile, del tutto analoga alla luce.
Dalla scoperta della radioattività gamma nel 1900 fino agli
esperimenti di diffrazione di Max von Laue del 1912, venne
considerata accanto all’interpretazione elettromagnetica anche una corpuscolare costituita da “neutroni” dati da una coppia di elettroni di segno opposto. “Neutroni” pesanti, costituiti da una particella alfa, o da due atomi d’idrogeno, e due elet-
troni, vennero proposti quali componenti dei nuclei dall’olandese Antonius Johannes van der Broek nel 1913 per
spiegare la radioattività alfa, e nel 1920 dall’americano
William D. Harkins, che li chiamò “particelle mu”.
Ma l’introduzione più significativa del neutrone quale componente del nucleo atomico si deve a Ernest Rutherford 9
(Fig. 7), che nella sua “lezione bakeriana” del 1920 tratteggiò
magistralmente lo stato delle conoscenze dei nuclei atomici. Il
nucleo di un atomo è caratterizzato dal “numero di massa A”,
il numero intero più vicino al rapporto fra la massa dell’atomo
e quella dell’atomo di idrogeno, e dal “numero atomico Z”,
corrispondente al numero di elettroni atomici. Si conoscevano allora solo elettroni, di massa trascurabile e carica elettrica
unitaria negativa, e protoni di carica unitaria positiva, per cui
un nucleo caratterizzato dai numeri A e Z era necessariamente
descritto come composto da A protoni, che fornivano la massa, e da A-Z elettroni, in modo da ridurre a Z unità la carica
elettrica positiva. Nella sua lezione Rutherford considera la
possibilità che un elettrone possa legare due protoni a formare
un nucleo con A=2 e Z=1, un isotopo pesante dell’idrogeno10,
e che possa esistere anche un nucleo neutro con A=1 e Z=0
Fig. 4
Un fascio di neutroni
prodotto dal ciclotrone
da 184 pollici del
laboratorio Lawrence a
Berkeley (USA) entra
dal basso in una camera
a nebbia ove interagiscono con nuclei di ossigeno
e carbonio, producendo
“stelle” di nuove
particelle, mentre essi
rimangono invisibili
Fig. 5
Frédèric Joliot e Irène
Curie nel loro
laboratorio a Parigi
(1934)
dato dall’unione di un elettrone con un protone. Rutherford
considera in dettaglio le proprietà di questo “neutrone”, i processi che lo potrebbero produrre e gli esperimenti per osservarlo.
Di fatto Rutherford iniziò subito un programma sperimentale alla ricerca del neutrone, che a Cambridge non venne mai
interrotto fino ai lavori del 1931 di Webster e la scoperta di
Chadwick. Come abbiamo visto, i Joliot-Curier erano andati
vicinissimi alla scoperta, mancata solo perché, secondo Joliot,
non avevano letto la lezione di Rutherford, ma come ebbe a
scrivere Edoardo Amaldi 2 “in questo caso, come in molti altri,
la Fortuna, prima di giocare i suoi dadi, seleziona saggiamente
il livello delle persone coinvolte”.
9 Ernest Rutherford
(1871-1937) è considerato il padre della
fisica nucleare: nato in
Nuova Zelanda, studiò a
Cambridge, insegnò in
Canada alla McGill, poi
a Manchester e dal 1919
a Cambridge, che con
lui divenne il centro
mondiale della fisica
nucleare. Ricevette il
premio Nobel per la
chimica nel 1908 per gli
studi sulla radioattività.
Il nuovo paradigma del nucleo
La scoperta del neutrone come particella elementare permise
subito di spazzare via molti problemi della struttura nucleare
dovuti ai modelli basati sulla presenza di elettroni nei nuclei:
lo stesso confinamento degli elettroni in un così piccolo volume, i momenti magnetici nucleari, le loro proprietà statistiche.
Quest’ultimo punto merita particolare attenzione, anche perché fornì una chiave per meglio comprendere la natura esatta
del neutrone. Siccome protoni ed elettroni sono entrambi fermioni 11, un nucleo composto da A protoni ed A-Z elettroni
(in tutto da 2A-Z fermioni) è un fermione se Z è dispari e un
bosone se Z è pari. Precise misure di Rasetti dello spettro
Raman della molecola di azoto facevano concludere che
l’azoto (A=14, Z=7) era un bosone, contro le previsioni del
modello a protoni-elettroni. La proprietà è invece consistente
col fatto che l’azoto sia composto da 7 protoni e 7 neutroni, in
tutto un numero pari di fermioni. Questo risultato implica
inoltre che il neutrone non sia composto da un protone ed un
elettrone, ma sia una “particella elementare” per proprio conto, un fermione di spin 1/2 come gli elettroni ed i protoni. Presto Fermi mostrerà con la sua teoria del decadimento beta che
il neutrone si disintegra in tre fermioni: un protone, un elet-
10 Come abbiamo visto,
il deuterio è fra le
importanti scoperte del
1932.
11 Fermioni sono i sistemi quantistici di spin
semintero (1/2,3/2,...)
che sono soggetti al
principio di esclusione
di Pauli (due fermioni
identici non possono
stare nello stesso stato
quantico) ed obbediscono alla statistica di
Fermi-Dirac. I bosoni
hanno invece spin intero
(0,1,...) ed obbediscono
alla statistica di BoseEinstein. Per lo spin,
vedi FRANCO BRADAMANTE e ENZO DE
SANCTIS, INFN-Notizie
4 (Novembre 2001),
pg. 4.
3
Fig. 6
James Chadwick, lo
scopritore del neutrone
nel 1932
Fig. 7
Ernest Rutherford
trone ed un anti-neutrino.
Tutto diveniva chiaro e consistente con un modello nucleare
secondo cui un nucleo di numeri A e Z è costituito da Z protoni ed A-Z neutroni. Il primo a sviluppare questo modello fu
D. Ivanenko in un articolo pubblicato su Nature nell’aprile
del 1932, ma ad apprezzare a pieno l’importanza del nuovo
paradigma furono Werner Heisenberg 12, Ettore Majorana e
Eugene Wigner 13, che applicarono la meccanica quantistica
alla descrizione delle proprietà nucleari. Poiché neutroni e
protoni rimangono legati nel piccolissimo nucleo, è necessario che fra di essi si eserciti una forza in grado se non altro di
contrastare la repulsione elettrostatica fra i protoni. I tre scienziati descrissero questa nuova forza in forme differenti, caratterizzate tutte da un cortissimo raggio d’azione; si tratta comunque del primo esempio di una forza che si esercita a livello delle particelle elementari e non possiede analogo classico:
venne chiamata forza “nucleare” o “forte” 14.
Heisenberg descrisse la forza nucleare come dovuta a scambio
di “carica negativa” fra neutrone e protone, in analogia alle
forze omopolari che legano le molecole; Majorana introdusse
una forza di scambio delle coordinate 15; Wigner propose invece un potenziale “ordinario” attrattivo, a corto – se non nullo – raggio d’azione. I tre potenziali spiegavano ciascuno parte
delle proprietà nucleari, ma erano chiaramente insufficienti
per una descrizione del ricchissimo universo nucleare, e vennero spesso utilizzate in varie combinazioni. Un significativo
passo avanti si avrà solo nel 1936 con la teoria di Heideki
Yukawa, costruita in analogia alla teoria di Fermi del decadimento beta.
La risoluzione dei problemi del nucleo atomico conseguente
alla scoperta del neutrone ebbe una grande importanza, non
solo perché allargava la nostra conoscenza di questi sistemi
naturali, ma perché contribuì a consolidare il quadro concettuale della meccanica quantistica a teoria fondamentale del
microcosmo. Infatti le difficoltà del modello a protoni ed elettroni nascevano volendo applicare ad esso le leggi quantistiche
individuate a livello atomico. La distanza fra le dimensioni
atomiche e quelle nucleari è dello stesso ordine di quella che
separa il macrocosmo ed il mondo atomico, per cui non esi-
12 Werner Heisenberg
ricevette il premio
Nobel nel 1932 per la
creazione della
meccanica quantistica.
13 Eugene Wigner
ricevette il premio
Nobel nel 1963 per la
scoperta ed applicazione dei principi di
simmetria.
14 Oggi viene
ricondotta alla forza
“di colore” che si
esercita fra quark. Delle
sue proprietà parlano
GRAZIANO BRUNI E
SILVIA LIMENTANI nel
presente numero di
INFN-Notizie a pg.5.
15 Majorana aveva
elaborato la sua teoria
già prima della Pasqua
1932, ma si rifiutò di
pubblicarla, ritenendola incompleta,
nonostante l’insistenza
di Fermi, che tuttavia la
presentò nel luglio
1932 alla conferenza di
Parigi. Majorana
pubblicherà il suo
lavoro solo l’anno dopo
per le insistenze di
Heinsenberg presso cui
si era recato a lavorare
nel 1933.
16 N. BOHR,
Atomic Stability and
Conservation Laws, in
Atti del Convegno di
Fisica Nucleare, ottobre
1931, Reale Accademia
d’Italia, 1932. Bohr
ricevette il premio
Nobel nel 1922.
4
stevano ragioni cogenti a ritenere che l’universo nucleare non
dovesse venir regolato da una nuova teoria, diversa sia dalla
meccanica classica che da quella quantistica. Niels Bohr era
affascinato da questa possibilità e pronto a rinunciare anche al
fondamentale principio di conservazione dell’energia a livello
nucleare 16. Sarà la teoria del decadimento beta di Fermi a eliminare del tutto questi ultimi dubbi a conferma della meccanica quantistica e della teoria quantistica della radiazione. Ma
questo nel 1933, un altro grande anno per la fisica.
Dimenticavo, nel ‘32 esce anche la Balilla, quella a tre marce.