La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo La scoperta del neutrone e il Cavendish Laboratory AIF – Scuola di Storia.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo La scoperta del neutrone e il Cavendish Laboratory AIF – Scuola di Storia."— Transcript della presentazione:

1 Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo La scoperta del neutrone e il Cavendish Laboratory AIF – Scuola di Storia della Fisica 2005

2 La scoperta del nucleo atomico Ernest Rutherford (Manchester, 1911)

3 Il Cavendish Laboratory (Cambridge) J. C. Maxwell ( ) J. W. Rayleigh ( ) J. J. Thomson ( ) E. Rutherford ( )

4 Il Cavendish Laboratory al tempo di Rutherford "Ai teorici piace giocare con i simboli, ma noi, qui al Cavendish, riveliamo i fatti reali della natura!"

5 Patrick Blackett Arrivato nel Grande esperto della camera a nebbia "A quel tempo, il lavoro al Cavendish era piccola scienza. Gli esperimenti erano fatti in generale da una sola persona, la quale si costruiva gran parte della strumentazione necessaria"

6 James Chadwick Arrivato nel 1920 e e principale collaboratore di Rutherford

7 Pyotr Kapitsa Responsabile di ricerca sul magnetismo ( )

8 John Cockroft e Ernest Walton

9 Foto di gruppo nel 1932

10 Come è fatto un nucleo? Nucleo di carbonio (C) Massa: A = 12 Carica: Z = 6 12 protoni (+) 6 elettroni ( ) In generale: Z X A A protoni, A Z elettroni

11 Gli elettroni nucleari: Le ragioni a favore Il nucleo è certamente una particella composta e le uniche particelle elementari sono protone ed elettrone Lemissione di elettroni nel decadimento beta suggerisce la presenza di elettroni nel nucleo

12 Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (1) Il confinamento nel nucleo La lunghezza donda degli elettroni dovrebbe essere non più grande della dimensione del nucleo (~ cm). Lenergia cinetica degli elettroni risulterebbe allora dellordine di MeV, e nessuna barriera di potenziale potrebbe mantenerli confinati per tempi dellordine della vita media nel decadimento beta.

13 Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (2) Lo spin dellelettrone e lo spin del nucleo dellatomo di azoto (A = 14; Z = 7) 14 protoni e 7 elettroni, ovvero 21 particelle di spin ½ Il nucleo di azoto dovrebbe avere spin semintero, mentre i dati sperimentali mostrano che ha spin intero (s = 1) Ralph Kronig

14 Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (3) Il momento magnetico nucleare Il momento magnetico nucleare dovrebbe risultare dellordine del magnetone di Bohr ( he/m e c 2 ), ma lo studio della struttura iperfine dava valori dellordine di he/m p c 2, ovvero circa 2000 volte più piccoli.

15 Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (4) Franco Rasetti Le proprietà statistiche dei nuclei Il nucleo di azoto, contenente un numero dispari (21) di fermioni dovrebbe obbedire alla statistica di Fermi-Dirac, ma lo studio degli spettri Raman della molecola di azoto mostrano che obbedisce alla statistica di Bose-Einstein

16 Gli elettroni nucleari: Il problema del decadimento Gli elettroni nucleari: Il problema del decadimento Lo spettro beta e il principio di conservazione dellenergia

17 Il disperato rimedio di Wolfgang Pauli (Dic. 1930) Potrebbero esistere nel nucleo delle particelle neutre di spin ½, che vorrei chiamare neutroni […] la cui massa sarebbe dellordine della massa elettronica. […] Lo spettro continuo si potrebbe capire assumendo che nel decadimento viene emesso un neutrone insieme allelettrone, in modo che lenergia dellelettrone e del neutrone rimanga costante.

18 La prima trasmutazione nucleare Rutherford (1919)

19 Una prima interpretazione N 14, O 16 protoni particelle di carica 2 e massa 3

20 La Bakerian lecture del 1920 Strutture stabili nel nucleo ? p ; (4p,2e) ; (3p,1e) Forse anche (2p,1e), un isotopo dellidrogeno Forse anche (1p,1e), un doppietto neutro

21 Una particella neutra ? In certe condizioni può accadere che un elettrone si leghi molto strettamente ad un protone formando una sorta di doppietto neutro. Un tale atomo avrebbe delle proprietà del tutto nuove. Il suo campo esterno sarebbe praticamente nullo, […] e di conseguenza esso potrebbe muoversi liberamente attraverso la materia. (Rutherford, Bakerian Lecture, 1920) + -

22 Un'interpretazione errata Nel 1924 Rutherford e Chadwick mostrarono che la fantomatica particella (3p,1e) non esisteva Nel 1925 Blackett dimostrò, in camera a nebbia, che si trattava di una reazione del tipo: + N 14 O 17 + p

23 Ma l'idea di un "doppietto neutro", o neutrone, continuò a circolare nell'ambiente del Cavendish

24 Chadwick ricorda (1962) "Durante i periodi di attesa prima di cominciare a contare le scintillazioni, Rutheford mi esponeva lungamente le sue idee sul problema della struttura nucleare, in particolare sulla difficoltà di capire come potessero formarsi nuclei complessi se le sole particelle elementari disponibili erano il protone e l'elettrone, e quindi la necessità di invocare l'aiuto del neutrone"

25 Il problema della struttura nucleare La struttura a righe della spettro alfa (1929), con la contemporanea emissione di raggi gamma suggerisce livelli energetici nucleari (Gamow, 1930)

26 Il problema della struttura nucleare Bombardando nuclei leggeri con particelle alfa si aveva emissione di protoni che sembravano mostrare anch'essi uno spettro a righe emissione gamma? Dalla misura dello spettro dei protoni e/o della eventuale radiazione gamma associata si potevano ricavare informazione sui livelli energetici nucleari

27 I centri di ricerca Cambridge (Cavendish Lab) J. Chadwick, H. Webster, J. Constable, E. Pollard Parigi (Inst. du Radium) F. Joliot, I. Curie Berlino (Phys-Tech. Reichs) W. Bothe, H. Fränz, H. Becker

28 La tecnica sperimentale Sorgente radioattiva (Po) Bersaglio p

29 La scoperta di Walter Bothe e Herbert Becker (Berlino, autunno 1930) Walter Bothe Po Be Radiazione molto penetrante Una sorpresa, perché il berillio non emette protoni per bombardamento alfa

30 Una possibile interpretazione Be 9 C 13 + Be 9 C 13 + E ~ MeV, maggiore di quella delle particelle incidenti e maggiore di quella dei raggi dalle ordinarie sostanze radioattive

31 Una sorgente di raggi gamma di altissima energia Po-Be

32 Due possibili linee di ricerca (1931) Cercare di spiegare l'assorbimento di una particella da parte di un nucleo di berillio e della successiva emissione di un fotone di energia così elevata Usare la sorgente Po-Be per studiare l'interazione radiazione-materia ad energia intermedia tra quella dei raggi ordinari e quella dei raggi cosmici

33 Al Cavendish si sceglie la prima linea di ricerca Chadwick incarica H. Webster di studiare lemissione gamma stimolata da bombardamento alfa con contatori Geiger e camere di ionizzazione. Interesse per il berillio (Be 9 ) che potrebbe essere composto da due particelle e un neutrone.

34 I risultati di Webster H. C. Webster La radiazione emessa dal berillio nella stessa direzione delle particelle alfa incidenti è molto più penetrante di quella emessa nella direzione opposta. Dubbi sul fatto che la radiazione Po-Be sia costituita di raggi gamma forse neutroni? Nuovi esperimenti con camera a nebbia, ma senza risultati significativi

35 A Parigi si sceglie la seconda linea di ricerca Irène Curie e Frédéric Joliot

36 La scoperta di Anderson (autunno 1931) La presenza di tracce di particelle positive nella camera a nebbia suggerisce che i raggi cosmici (fotoni di altissima energia) interagiscono con i nuclei atomici producendo lemissione di protoni C. Anderson a Caltech

37 Fenomenologia dellinterazione radiazione-materia (1931) Raggi X e di bassa energia Effetto Compton sugli elettroni periferici (Klein-Nishina) Raggi di alta energia Effetto Compton ed interazioni nucleari (assorbimento anomalo osservato da vari autori) Radiazione Po-Be ? ? ? Fotoni dei raggi cosmici Trasmutazioni nucleari con emissione di protoni (C. Anderson)

38 La scoperta di Joliot e Curie (11 gennaio 1932) Po-Be Sostanza idrogenata (acqua, paraffina, ecc.) Protoni

39 La scoperta di Joliot e Curie Una radiazione elettromagnetica di alta frequenza è capace di liberare, nelle sostanze idrogenate, dei protoni animati da grande velocità una sorta di effetto Compton sui protoni dei nuclei di idrogeno Po-Be E p ~ 4,5 MeV E ~ 50 MeV p

40 La notizia arriva a Cambridge (~ 25 gennaio 1932) La reazione di Rutherford nel ricordo di Chadwick: "Vidi la sua meraviglia crescere, finché esclamò: "Non ci credo!" […] Ovviamente Rutherford concordava sul fatto che bisognava credere alle osservazioni; la spiegazione però era un'altra storia"

41 "Damned …. It's a neutron!" La reazione di Chadwick nel ricordo di Occhialini

42 La scoperta di Chadwick Po-Be np L'urto elastico di due particelle di uguale massa

43 La nuova interpretazione della radiazione Po-Be Po + B e C 12 + n + B e C 12* + n Be p H n C 12 + MeV

44 Lannuncio della scoperta 17 febbraioLettera a Nature 23 febbraioComunicazione al Kapitza club di Cambridge 24 febbraioLettera a Bohr con il preprint della lettera a Nature 28 aprileintervento alla Royal Society 10 maggioLungo articolo su Proceedings Royal Society

45 Come è fatto un neutrone? Possiamo supporre che il protone e lelettrone formino un piccolo dipolo La massa del neutrone da lui misurata risulta inferiore a quella del protone, corrispondente ad una energia di legame p-e dellordine di 1-2 MeV

46 Si ripropone il problema degli elettroni nucleari

47 Il neutrone come particella elementare? I nuclei sono composti di protoni e neutroni, considerati entrambi come particelle elementari di spin ½. Dimitri Iwanenko (1932) Ettore Majorana (non pubbl.)

48 Il "compromesso" di Heisenberg (Über den Bau der Atomkerne, 1932) Il neutrone come "componente fondamentale indipendente del nucleo [con spin ½] che tuttavia, in particolari condizioni, può scindersi in un protone e un elettrone"

49 In concetto di "isospin ( Heisenberg 1932 ) Il legame protone-neutrone analogo al legame chimico della molecola di idrogeno ionizzato H 2 + p e p p n n p

50 Sviluppo della teoria della struttura nucleare (1933) Eugene Wigner Ettore Majorana

51 Il problema del decadimento Il problema del decadimento Da dove viene l'elettrone? Preesistente nel nucleo ed espulso (Chadwick), oppure "creato" in un processo di tipo nuovo (Iwanenko)? Come si spiega lo spettro continuo? Non conservazione dell'energia (Bohr), oppure una seconda particella neutra emessa con l'elettrone (Pauli)?

52 Copenhagen (aprile 1932) Si discute del "neutrone" di Pauli e si conclude con la "Apoteosi del vero neutrone di Chadwick Adesso realtà, un tempo visione. Che classicità, grazia e precisione! Accolta con cordialità, onorata nei canti, Eterna Neutralità portaci con te

53 Il 7° Congresso Solvay Bruxelles, ottobre 1933

54 Bruxelles 1933: il bilancio dellannus mirabilis 1932 Cockroft sulla trasmutazione dei nuclei prodotta da protoni accelerati Chadwick sul neutrone Dirac sulla teoria del positrone Gamow sui livelli energetici nucleari Heisenberg sulla struttura dei nuclei

55 E ancora …. Joliot e Curie riportano nuovi dati che mostrano che il neutrone ha massa maggiore di quella del protone Pauli ripropone la sua ipotesi sullesistenza di una particella neutra nel decadimento beta Fermi propone il termine neutrino per indicare tale particella

56 La teoria del decadimento gennaio 1934 La teoria del decadimento gennaio 1934 Enrico Fermi n p + e + Protone, elettrone e neutrino sono creati nel processo di decadimento del neutrone per effetto di un nuovo tipo di interazione "debole"

57 Gli elettroni sono finalmente esclusi dal nucleo atomico e il principio di conservazione dellenergia è salvo!

58 La radioattività artificiale (gennaio 1934) Creazione in laboratorio di sostanze radioattive artificiali a scopo di ricerca o per applicazioni mediche I. Curie e F. Joliot

59 La teoria delle forze nucleari (1935) Hideki Yukawa Linterazione "forte" tra due nucleoni (protoni e neutroni) è mediata non da elettroni ma da particelle di spin intero (bosoni) e massa pari a circa 280 volte quella dellelettrone (mesoni)

60 La fisica nucleare entra nella maturità


Scaricare ppt "Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo La scoperta del neutrone e il Cavendish Laboratory AIF – Scuola di Storia."

Presentazioni simili


Annunci Google