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

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

Il Cavendish Laboratory (Cambridge) J. C. Maxwell (1874-1879) J. W. Rayleigh (1879-1884) J. J. Thomson (1884-1919) E. Rutherford (1919-1938)

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!"

Patrick Blackett Arrivato nel 1919. 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"

James Chadwick Arrivato nel 1920 e e principale collaboratore di Rutherford

Pyotr Kapitsa Responsabile di ricerca sul magnetismo (1921-1934)

John Cockroft e Ernest Walton

Foto di gruppo nel 1932

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

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

Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (1) Il confinamento nel nucleo La lunghezza d’onda degli elettroni dovrebbe essere non più grande della dimensione del nucleo (~ 10-13 cm). L’energia cinetica degli elettroni risulterebbe allora dell’ordine di 20-25 MeV, e nessuna barriera di potenziale potrebbe mantenerli confinati per tempi dell’ordine della vita media nel decadimento beta.

Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (2) Lo spin dell’elettrone e lo spin del nucleo dell’atomo di azoto (A = 14; Z = 7) Ralph Kronig 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)

Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (3) Il momento magnetico nucleare Il momento magnetico nucleare dovrebbe risultare dell’ordine del magnetone di Bohr ( he/mec2 ), ma lo studio della struttura iperfine dava valori dell’ordine di he/mpc2, ovvero circa 2000 volte più piccoli.

Gli elettroni nucleari: Le ragioni contro (4) Le proprietà statistiche dei nuclei Franco Rasetti 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

Gli elettroni nucleari: Il problema del decadimento b Lo spettro beta e il principio di conservazione dell’energia

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 dell’ordine della massa elettronica. […] Lo spettro b continuo si potrebbe capire assumendo che nel decadimento b viene emesso un neutrone insieme all’elettrone, in modo che l’energia dell’elettrone e del neutrone rimanga costante.”

La prima trasmutazione nucleare Rutherford (1919)

Una prima interpretazione protoni a  particelle di carica 2 e massa 3 N14 , O16

La “Bakerian lecture” del 1920 Strutture stabili nel nucleo ? p ; a  (4p,2e) ; (3p,1e) Forse anche (2p,1e), “un isotopo dell’idrogeno” Forse anche (1p,1e), “un doppietto neutro”

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)

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: a + N14  O17 + p

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

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"

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)

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

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

La tecnica sperimentale Sorgente radioattiva (Po) Bersaglio g

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

Una possibile interpretazione g Be9 C13 a + Be9  C13 + g Eg ~ 15-20 MeV, maggiore di quella delle particelle a incidenti e maggiore di quella dei raggi g dalle ordinarie sostanze radioattive

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

Due possibili linee di ricerca (1931) Cercare di spiegare l'assorbimento di una particella a 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 g ordinari e quella dei raggi cosmici

Al Cavendish si sceglie la prima linea di ricerca Chadwick incarica H. Webster di studiare l’emissione gamma stimolata da bombardamento alfa con contatori Geiger e camere di ionizzazione. Interesse per il berillio (Be9) che potrebbe essere composto da due particelle a e un neutrone.

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

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

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 l’emissione di protoni C. Anderson a Caltech

Fenomenologia dell’interazione radiazione-materia (1931) Raggi X e g di bassa energia Effetto Compton sugli elettroni periferici (Klein-Nishina) Raggi g 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)

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

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 p Ep ~ 4,5 MeV g Po-Be g’ Eg ~ 50 MeV

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"

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

La scoperta di Chadwick n p Po-Be L'urto elastico di due particelle di uguale massa

La nuova interpretazione della radiazione Po-Be g p a n Po Be H g a + Be  C12 + n a + Be  C12* + n C12 + g (Eg ~ 6 MeV)

L’annuncio della scoperta 17 febbraio Lettera a Nature 23 febbraio Comunicazione al “Kapitza club” di Cambridge 24 febbraio Lettera a Bohr con il preprint della lettera a Nature 28 aprile intervento alla Royal Society 10 maggio Lungo articolo su Proceedings Royal Society

Come è fatto un neutrone? “Possiamo supporre che il protone e l’elettrone 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 dell’ordine di 1-2 MeV

Si ripropone il problema degli elettroni nucleari

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.)

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"

In concetto di "isospin“ (Heisenberg 1932) Il legame protone-neutrone analogo al legame chimico della molecola di idrogeno ionizzato H2+ p e p n p p n

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

Il problema del decadimento b 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)?

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

Il 7° Congresso Solvay Bruxelles, 22-29 ottobre 1933

Bruxelles 1933: il bilancio dell’annus 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

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 sull’esistenza di una particella neutra nel decadimento beta Fermi propone il termine “neutrino” per indicare tale particella

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

Gli elettroni sono finalmente esclusi dal nucleo atomico e il principio di conservazione dell’energia è salvo!

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

La teoria delle forze nucleari (1935) L’interazione "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 dell’elettrone (mesoni) Hideki Yukawa

La fisica nucleare entra nella maturità