GLI ESPLORATORI DELL’ATOMO DA DEMOCRITO A FERMI

Presentazione sul tema: "GLI ESPLORATORI DELL’ATOMO DA DEMOCRITO A FERMI"— Transcript della presentazione:

1 GLI ESPLORATORI DELL’ATOMO DA DEMOCRITO A FERMI

2 PRIMA TEORIA DELL’ATOMISMO
IV secolo a.C. I filosofi greci Leucippo,Epicuro, Democrito e il romano Tito Lucrezio Caro ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle minuscole e indivisibili. La prima teoria atomistica della materia risale al filosofo greco Democrito di Abdera. Democrito sosteneva l’impossibilità di procedere all’infinito nella divisione della materia: a un certo punto si arriverà a particelle indivisibili , άτομος , che non racchiudono spazio vuoto. Condanna di Aristotele L'atomo (dal greco ἄτομος - àtomos -, indivisibile, unione di ἄ - a - [alfa privativo] + τομή - tomé - [divisione], così chiamato perché inizialmente considerato l'unità più piccola ed indivisibile della materia, risalente alla dottrina dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro, detta teoria dell'atomismo) è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimico-fisiche. Verso la fine dell'Ottocento (con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo era divisibile, essendo a sua volta composto da particelle più piccole (alle quali ci si riferisce con il termine "subatomiche"). L'atomo risulta infatti costituito da neutroni, elettroni e protoni. La teoria atomica è la teoria sulla natura della materia che afferma che tutta la materia sia costituita da unità elementari chiamati atomi. La teoria atomica si applica agli stati della materia solido, liquido e gassoso, mentre è difficilmente correlabile allo stato plasmico, in cui elevati volumi di pressione e temperatura impediscono la formazione di atomi. Già dal IV secolo a.C. alcuni filosofi greci (Leucippo, Epicuro e Democrito) e romani (Tito Lucrezio Caro), ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle minuscole e indivisibili, fondando così la "teoria atomica"; questa corrente filosofica[1] fondata da Leucippo venne chiamata "atomismo". Si supponeva che i diversi "atomi" fossero differenti per forma e dimensioni. Democrito, nel IV secolo a.C., propose la "teoria atomica", secondo la quale la materia è costituita da minuscole particelle, diverse tra loro, chiamate atomi, la cui unione dà origine a tutte le sostanze conosciute. Queste particelle erano la più piccola entità e non potevano essere ulteriormente divise; per questo erano chiamate atomi (da ὰτωμος, in greco "indivisibile"). In contrasto con questa teoria, Aristotele, nello stesso periodo, nella teoria della continuità della materia, sostenne che una sostanza può essere suddivisa all'infinito in particelle sempre più piccole e uguali tra loro. Queste ipotesi rimasero tali in quanto non suffragate da un approccio scientifico e da metodologie basate sull'osservazione e sull'esperimento.

3 DAL CORPUSCOLARISMO A DALTON
13° secolo : l'alchimista Geber (Paolo di Taranto) introduce il corpuscolarismo tutti i corpi posseggono uno strato interno ed esterno di particelle minuscole A differenza dell'atomismo i corpuscoli possono essere divisi. Rimase la teoria dominante per i secoli successivi (Ripresa da Descartes, tale teoria servì anche come base a Isaac Newton per sviluppare la teoria corpuscolare della luce) .

4 LA PRIMA TEORIA ATOMICA DELLA MATERIA
Nel 1808 John Dalton rielaborò la teoria di Democrito fondando la teoria atomica moderna La teoria atomica di Dalton si fondava su cinque punti: la materia è formata da particelle elementari chiamate atomi, che sono indivisibili; atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro; atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporti di numeri interi dando origine a composti; gli atomi non possono essere né creati né distrutti; gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi Definizione di atomo per Dalton: "Un atomo è la più piccola parte di un elemento che mantiene le caratteristiche fisiche di quell'elemento". Nel corso dei suoi studi, Dalton si avvalse delle conoscenze chimiche che possedeva (la legge della conservazione della massa, formulata da Antoine Lavoisier, e la legge delle proporzioni definite, formulata da Joseph Louis Proust) e formulò la sua teoria atomica, che espose nel libro A New System of Chemical Philosophy

5 AVOGADRO E MENDELEEV Amedeo Avogadro Dimitri Mendeleev L’italiano Amedeo Avogadro nel 1811 propose la legge ”le masse gassose che, alla stessa temperatura e alla stessa pressione, occupano volumi uguali, contengono lo stesso numero di molecole ” Il russo Dimitri Mendeleev mise a punto il sistema periodico degli elementi disposti in ordine di peso atomico crescente.

6 Raggi X 8 novembre 1895 Wilhelm Conrad Rontgen,
studiando i raggi catodici, scoprì i raggi X. Primo scienziato ad essere insignito, nel 1901, del Premio Nobel per la fisica

7 Stava lavorando in una stanza oscura
I raggi X furono scoperti, per caso, dal Prof. Roentgen, una sera del Novembre Roentgen studiava i fenomeni associati al passaggio di corrente elettrica attraverso gas a pressione estremamente bassa. Stava lavorando in una stanza oscura ed aveva avvolto accuratamente il tubo di scarica in uno spesso foglio di cartone nero per eliminare completamente la luce, quando un foglio di carta ricoperto da un lato da una sostanza fosforescente, posto casualmente su di un tavolo vicino, divenne fluorescente. Egli spiegò il fenomeno come dovuto all'emissione, dal tubo di scarica, di  raggi invisibili che eccitavano la fluorescenza. Fig. 1: Lo scopritore dei raggi X: Roentgen, primo premio Nobel per la Fisica nel Novembre A sinistra nel riquadro, la radiografia della mano della Signora Roentgen (22 dicembre 1895).

8 Come si producono i raggi X?
Produzione dei raggi X I raggi X sono radiazioni di natura elettromagnetica con lunghezza d'onda compresa tra m circa. Quando l'elettrone di un fascio interagisce con il campo elettrico del nucleo di un atomo subisce una brusca decelerazione e perde energia che viene emessa sotto forma di fotoni. Questo processo, chiamato "radiazione di frenamento" o "bremsstrahlung", è responsabile dello spettro continuo dei raggi X. Se, invece, l'interazione dell'elettrone incidente avviene con uno degli elettroni più interni dell'atomo bersaglio , il processo di produzione dei raggi X prende il nome di "radiazione caratteristica". A seguito di questa interazione, entrambi gli elettroni sono diffusi fuori dall'atomo, così che nell'orbitale rimane un posto libero o "lacuna". Successivamente uno degli elettroni più esterni si sposta per colmare la lacuna. È durante quest'ultimo processo che l'atomo emette radiazione X con un'energia che individua in maniera esatta il materiale di cui è composto l'atomo bersaglio, da cui il nome "radiazione caratteristica". I sistemi più utilizzati per la produzione di fasci di raggi X, sono i tubi a raggi X.

9 RAGGI URANICI 1 marzo 1896 Henri Becquerel scopre i raggi uranici: nell’osservare i sali d’uranio Becquerel scoprì che essi emettono spontaneamente, senza l’azione della luce, raggi di natura sconosciuta.

10 NASCITA DELLA FISICA ATOMICA
La fisica atomica nasce alla fine del XIX secolo. George Gamow ha scritto: “Nell’anno 1896,il fisico francese Henri Becquerel osservò che un frammento di minerale di uranio lasciato in un cassetto…aveva annerito alcune lastre fotografiche…Questa strana proprietà dell’uranio, e di altri elementi pesanti,di emettere una radiazione capace di penetrare il cartone e la carta nera avvolgenti le lastre, fu chiamata radioattività: cosi ebbe inizio un nuovo capitolo della scienza fisica. Nel 1945, la radiazione dell’uranio…bruciò e distrusse due città…” : dall’intuizione dell’enorme energia racchiusa nell’atomo fino alla prima micidiale utilizzazione di tale energia

11 LA SCOPERTA DELL’ELETTRONE 1897
J.J. Thomson studiando i raggi catodici trova che il rapporto carica/massa di queste particelle è identico per qualunque gas e circa 1800 volte più grande del valore del trovato per gli ioni idrogeno

12 IL LEGGENDARIO LAVORO DI MARIE CURIE
Prima donna a ricevere due Premi Nobel : 1903 in fisica per la scoperta della radioattività (assieme al marito Pierre e a Henri Becquerel) 1911 in chimica per avere isolato gli elementi plutonio e radio

13 Su suggerimento del marito Pierre , Marie decise di
occuparsi dei raggi Becquerel. Per i suoi esperimenti utilizzò un vecchio magazzino dell’Ecole de Physique et de Chemie, un locale ingombro e umido. Le prime misure : Potere di ionizzazione dei raggi d’uranio. A sua disposizione: una camera di ionizzazione, un elettrometro e un quarzo piezoelettrico.

14 I primi risultati L’intensità dei raggi è proporzionale alla quantità di uranio contenuta nei materiali esaminati Non dipende dal tipo di composto di uranio, né da circostanze esterne come illuminamento o temperatura. La radiazione è una proprietà atomica. L’uranio è il solo elemento chimico a provocare tale radiazione ? No , c’è anche il torio

15 Chiama radioattività il fenomeno e radioattivi i corpi dotati della proprietà di emettere raggi. Gli scienziati cominciarono a chiedersi l’origine e la natura delle radiazioni emesse da quelle sostanze

16 Marie Curie e il marito Pierre cercano altri composti radioattivi
Marie Curie e il marito Pierre cercano altri composti radioattivi . 17 febbraio 1898 I coniugi Curie trovano che la pechblenda emette radioattività in quantità molto superiore La pechblenda deve contenere una sostanza sconosciuta più fortemente emissiva dell’uranio e del torio. Stimano che la nuova sostanza debba essere contenuta nella pechblenda in quantità molto piccole: l’uno per cento. Si troverà che ce n’è una parte su un milione!

17 Due elementi nuovi : il polonio e il radio Il polonio Nel luglio del 1898 l’annuncio della scoperta del polonio Il radio Nel dicembre del 1898 è data comunicazione all’Académie che si è certi di una seconda sostanza radioattiva a cui si propone di dare il nome di radio, la cui radioattività risulta essere “enorme”.

18 Un grammo di radio! I coniugi Curie nel 1902 riuscirono ad isolare il primo decigrammo puro, ha un potere radioattivo milioni di volte superiore a quello dell’uranio. Nasce l’industria del radio che diviene una delle sostanze più care al mondo

19 Rutherford diede nel 1903 la prima spiegazione della radioattività naturale.
“Essa è la conseguenza della disintegrazione di alcuni atomi: nella disintegrazione l’atomo espelle particelle cariche di elettricità sottoforma di radiazione e diventa un atomo più leggero di un elemento diverso.” L’atomo quindi non era indivisibile, come avevano messo in luce già nel 1897 l’inglese Thomson e il tedesco Rontgen. Nella più piccola parte della materia è congelata dell’energia: deduzione che urtava contro tutte le leggi scientifiche

20 Prodigioso radio! Il radio si trova nella serie dei metalli alcalini, il suo peso atomico, misurato da Marie Curie è 225±1. Le sue radiazione sono quasi due milioni di volte più intense di quelle dell’uranio: solo uno spesso schermo di piombo può fermarle Emana un gas, chiamato “emanazione del radio”, anch’esso attivo ma che, anche se racchiuso in un tubo di vetro, si distrugge ogni giorno secondo una legge esponenziale entro un tempo caratteristico (in quattro giorni si dimezza). La sua presenza sarà scoperta nelle acque di molte sorgenti termali. Il radio emette spontaneamente calore. Impressiona le lastre fotografiche

21 Prodigioso radio! Rende l’aria conduttrice di elettricità Colora di malva e violetto i recipienti di vetro che lo contengono Corrode e, a poco a poco, riduce in polvere la carta o l’ovatta in cui è racchiuso. E’ luminoso e rende fosforescenti un gran numero di sostanze che non emetterebbero luce (anche il diamante) Rende temporaneamente radioattivi i corpi che gli sono vicini (radioattività indotta). • E’ fonte di una continua e spontanea produzione di elio (Ramsay e Soddy). Forma delle lesioni cutanee profonde: Pierre Curie espose volontariamente un suo braccio al radio e ne descrisse gli effetti. Marie aveva le mani rovinate dal radio.

22 Prodigioso radio! Pierre studia l’azione del radio sugli animali e collabora con dei medici. Arriveranno alla conclusione che distruggendo le cellule, il radio può agire sulle cellule malate e favorire la guarigione di certe forme di cancro. Questa terapia prenderà il nome di Curieterapia.

23 Marie e il marito scelsero di non chiedere il brevetto per i processi di lavorazione dei minerali contenenti il radio. Il radio è un elemento, esso appartiene a “tout le monde”. Brevetto “contrario allo spirito scientifico”.

24 LE RICERCHE VANNO AVANTI
Ernest Rutherford Raggi alfa e beta (Rutherford) Loro deflessione in un campo magnetico (Pierre Curie) Raggi gamma ad opera di Villard I raggi beta sono elettroni (Becquerel) Emanazione del torio e Teoria delle trasformazioni (Rutherford e Soddy) Legge del decadimento radioattivo (1908 Rutherford premio Nobel per la chimica) I successi dei coniugi Curie stimolarono la ricerca e gli scienziati cominciarono a chiedersi l’origine e la natura delle radiazioni emesse da quelle sostanze

25 Particelle alfa La particella alfa è un nucleo di elio (costituito da 2 protoni e da 2 neutroni) e presenta doppia carica elettrica positiva. Origina dal decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la perdita di 4 nucleoni. Interazioni con la materia Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo provoca, a causa della carica elettrica +2 e della massa 7400 volte maggiore di quella dell'elettrone, la ionizzazione di un gran numero di atomi (ionizzazione primaria) per attrazione degli elettroni. Ne consegue la creazione di un gran numero di coppie di ioni, consistenti in ioni negativi (elettroni liberi) e ioni positivi (l'atomo al quale è stato rimosso l'elettrone), che possono produrre un'ulteriore ionizzazione del mezzo (ionizzazione secondaria). IONIZZAZIONE ALFA Il processo di ionizzazione primaria causa una lenta perdita di energia cinetica da parte della particella alfa, che continua la sua corsa riducendo gradualmente la velocità finché si lega a due elettroni e si trasforma in un atomo di elio, con carica elettrica neutra. Poiché in aria ogni ionizzazione richiede in media 34 eV, una particella alfa con energia di 3.4 MeV produrrà circa ionizzazioni e percorrerà circa 2 cm prima di fermarsi e diventare elettricamente neutra. La Ionizzazione Specifica in aria è pari a ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV). Il percorso di una particella alfa, a parità di energia cinetica, è molto più breve di quello di radiazioni con massa minore. La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione ma alta densità di ionizzazione. In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle. Oltre alla ionizzazione del mezzo attraversato, la particella alfa può provocare l'eccitazione di atomi, con il passaggio di un elettrone orbitale ad un orbita più distante dal nucleo portandosi in uno stato energetico più elevato, immediatamente seguito dal ritorno dell'elettrone ad un orbita più vicina al nucleo e ad uno stato di minore energia. Tale energia viene emessa sotto forma di fotoni X o di radiazione luminosa.

26 Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in disintegrazione. Tale particella può avere carica negativa unitaria (ß-, decadimento beta negativo), o carica positiva unitaria (ß+, decadimento beta positivo). In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone. I raggi gamma sono un fascio di fotoni: I "raggi X", la "luce visibile", le "onde radio", etc., sono tutti fotoni, a diverse energie. I raggi gamma sono fotoni di alta energia. Le particelle alfa possono venir fermate da un foglio di carta, le particelle beta dall'alluminio, i raggi gamma da un blocco di piombo. Dato che possono penetrare ben dentro un materiale, e hanno la capacità di distruggere i legami chimici, sono proprio i raggi gamma che costituiscono il principale pericolo quando si lavora con i materiali radioattivi (e purtroppo, ci sono voluti molti anni perché gli scienziati si accorgessero dei rischi della radioattività...)

27 materia ed energia sono ambedue manifestazioni differenti della
UNA PICCOLISSIMA QUANTITÀ DI MASSA PUÒ ESSERE CONVERTITA IN UNA GRANDISSIMA QUANTITÀ DI ENERGIA. Nel il ventiseienne Albert Einstein dimostrò che materia ed energia sono ambedue manifestazioni differenti della stessa cosa e stanno fra loro in un rapporto definito da Scrittura autografa di Einstein

28 Passeranno circa trent’anni prima che i fisici capiscano completamente il significato e le implicazioni di questa equazione. Solo dopo trent’anni i fisici capirono che l’atomo poteva essere aperto e l’energia che esso contiene sprigionata. Ma era prima necessario capire come è fatto l’atomo

29 MODELLO DI RUTHERFORD 1911 : Rutherford propone (dopo avere effettuato i famosi esperimenti con le particelle alfa), un modello descrittivo della struttura dell’atomo . L’ atomo appare molto simile ad un sistema solare al centro del quale vi è un nucleo con carica positiva . Nel nucleo è concentrata quasi tutta la massa dell’atomo e intorno ad esso ruotano, su orbite ellittiche, gli elettroni , di massa praticamente nulla e con carica elettrica negativa. L’atomo risulta costituito soprattutto da spazio vuoto . si puo immaginare tale atomo come una grande sfera vuota con il diametro di un chilometro, al cui centro si trova il nucleo, rappresentato da una pallina di pochi centimetri di diametro

30 MODELLO DI BOHR Nel 1913, Bohr stabilisce che gli elettroni percorrono orbite ciascuna con un proprio livello di energia. Finchè l’elettrone percorre la sua orbita non emette energia, il che spiega l’equilibrio per cui non cade nel nucleo, un equilibrio che si esprime in una velocità di rotazione vertiginosa: 7 milioni di miliardi di giri al secondo. Nel 1918, Bohr perfezionò il suo modello affermando l’esistenza di orbite stabili su cui gli elettroni possono muoversi senza irraggiare. Quando un elettrone passa da un livello eccitato ad uno stabile, emette un quanto di energia hν.

31 UN ANNUNCIO SENSAZIONALE
Rutherford nel 1919 diede un annuncio sensazionale. Bombardando con particelle alfa l’azoto nel tentativo di spezzarne il nucleo, aveva ottenuto la formazione di nuclei di ossigeno più un protone: la trasmutazione di un elemento. I fisici iniziarono a tentare la via della disintegrazione artificiale del nucleo atomico. Su questo problema si concentrarono, durante gli anni venti, gli sforzi dei centri di ricerca delle Università di Cambridge, Copenhagen e Gottinga.

32 Università di Copenhagen
Università di Cambridge

33 LA SCOPERTA DEL NEUTRONE
La scoperta avvenne nel a Cambridge ad opera di James Chadwick, allievo di Rutherford (sulla scorta degli esperimenti compiuti dai tedeschi Bothe e Becker e dai coniugi Joliot- Curie) . L’ atomo è composto non solo da protoni ed elettroni , ma all’interno del nucleo vi sono particelle, di massa assai simile al protone ma prive di carica elettrica, che, per questo, Chadwick chiamò neutroni

34 Nel 1930,i fisici W.Bothe e H.Becker avevano scoperto che bombardando campioni di boro o berillo con particelle alfa molto veloci prodotte dal polonio, questi emettevano una radiazione assai penetrante. I coniugi Joliot inviarono questa radiazione su un blocco di paraffina e si accorsero che questa emetteva un gran numero di nuclei di idrogeno (ossia protoni).

35 ETTORE MAJORANA ( ???) In realtà, il primo a trovare la soluzione dell’enigma fu il fisico italiano Ettore Majorana, collaboratore di Fermi, che, quando ebbe notizia dell’esperimento dei coniugi Joliot si limitò a dire “Che stupidi ! Hanno scoperto il protone neutro e non se ne sono accorti ! ” Majorana, tuttavia, non pubblicò la sua ipotesi e l’onore della scoperta del neutrone spettò a James Chadwick.

36 NEUTRONI COME PROIETTILI
Il fatto che fossero privi di carica elettrica, faceva dei neutroni degli ottimi proiettili per bombardare e spezzare il nucleo atomico. Ma al momento, nessun fisico si rese conto della portata di tale scoperta. L’esperimento decisivo che condurrà al bombardamento del nucleo atomico, fu compiuto dal fisico italiano Enrico Fermi e dai suoi collaboratori dell’Istituto di Fisica di Via Panisperna a Roma, nel 1934. Il fatto che fossero privi di carica elettrica, faceva dei neutroni degli ottimi proiettili per bombardare e spezzare il nucleo atomico. Ma al momento, nessun fisico si rese conto della portata di tale scoperta: Rutherford addirittura ribadi che “ chi parla della eventualita di liberare energia atomica su vasta scala parla della luna “ e di tale opinione rimase fino alla sua morte, nel 1937

37 LA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE
Nel 1934 i coniugi Joliot-Curie resero nota la scoperta della radioattività artificiale. Bombardando l’alluminio e altri elementi stabili come il boro e il fosforo con particelle alfa veloci, i due fisici li avevano resi radioattivi, provocando una sorta di spontanea trasformazione della materia in energia

38 VERSO LA FISSIONE NUCLEARE
Enrico Fermi ( ) L’Istituto di fisica di via Panisperna a Roma, nel 1934

39 Gli esperimenti condotti dai coniugi Joliot bombardando con le particelle alfa elementi più pesanti, non avevano prodotto alcun effetto. Fermi decise di ripetere gli esperimenti utilizzando, anziché particelle alfa, i neutroni. L’ operazione ha un rendimento molto basso (un neutrone per ogni particelle alfa). Comunque Fermi superò le difficoltà e inizio a bombardare con i neutroni i vari elementi , cominciando dal più leggero, l’idrogeno. Strumenti utilizzati dal gruppo di Fermi a Roma per lo studio della radioattività indotta da neutroni Cio era dovuto al fatto che negli elementi pesanti, il numero degli elettroni e la carica positiva sono troppo grandi perche il bombardamento delle particelle alfa produca effetti. Ma all’epoca non se ne scopri la causa. Effettuare l’esperimento non fu semplice: per ottenere l’emissione di neutroni da parte delle sostanze radioattive, bisogna ricorrere al bombardamento con particelle alfa e l’operazione ha un rendimento molto basso (un neutrone per ogni particelle alfa). Comunque Fermi supero le difficolta e inizio a bombardare con i neutroni i

40 Il bombardamento non diede luogo ad alcun effetto fino a quando Fermi non arrivò al fluoro nella scala periodica. Arrivato all’ultimo elemento esistente in natura, l’uranio 92, si ebbe la produzione di un gran numero di corpi radioattivi che Fermi e i collaboratori credettero essere elementi transuranici di numero atomico 93, 94 ecc.

41 L’interpretazione data da Fermi all’esperimento si rivelerà errata
L’interpretazione data da Fermi all’esperimento si rivelerà errata. Il risultato del bombardamento con neutroni non aveva prodotto elementi transuranici , bensì la scissione in due parti quasi uguali del nucleo dell’uranio, con l’emissione di due neutroni e la liberazione di una grande quantità di energia atomica, o meglio nucleare. Sarà Lise Meitner, insieme al nipote Otto Frisch, a pubblicare nel Febbraio 1939 l’articolo “Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction” dando, per prima, l’esatta interpretazione teorica del processo della fissione nucleare. Lise Meitner

42 VERSO LA FISSIONE NUCLEARE
Fermi scoprì che le sostanze contenenti idrogeno, come la paraffina e l’acqua,se interposte fra la sorgente radioattiva e l’elemento da attivare, rallentavano i neutroni . I neutroni rallentati producevano una quantità di sostanza radioattiva cento volte maggiore di quella prodotta dai neutroni rapidi. Fermi e i suoi collaboratori, che avevano scoperto, senza rendersene conto, l’energia nucleare, capirono che il neutrone può essere controllato per ottenerne la massima efficacia. Enrico Fermi, Emilio Segrè, Franco Rasetti, Edoardo Amaldi

43 VERSO LA FISSIONE NUCLEARE
Nel 1938, le leggi razziali vennero promulgate dal regime fascista anche in Italia. Fermi, la cui moglie era ebrea, decise di lasciare il paese. L’occasione gli fu offerta dalla consegna del premio Nobel nel dicembre di quell’anno, a Stoccolma. Da lì, Fermi partì con la famiglia per gli Stati Uniti, dove la Columbia University di New York gli aveva offerto un posto. Lo seguirono a breve distanza anche Segrè e Rasetti Dicembre 1938: Fermi alla cerimonia di consegna del Nobel. Accanto a lui, Pearl Buck.

44 Nel dicembre 1938 a Berlino il fisico tedesco Otto Hahn, che aveva proseguito gli esperimenti di bombardamento dell’uranio con neutroni, fu costretto, dopo una lunga serie di prove chimiche, a rivedere la vecchia tesi già condivisa con Fermi. Insieme al collega chimico Fritz Strassman, riuscì a determinare che la sostanza prodotta dal bombardamento dell’uranio non era un elemento transuranico, ma bario, un elemento che pesa circa la metà dell’uranio!!!

45 Ma a capire a fondo questo nuovo tipo di reazione e a chiamarla scissione fu Lise Meitner, collaboratrice di Hahn, che, essendo ebrea, era fuggita in Svezia dove aveva continuato le ricerche insieme al nipote Otto Frish, rimanendo in comunicazione epistolare con Hahn. Frish e Meitner calcolarono anche con esattezza l’enorme quantità di energia liberata dal nucleo durante la scissione, e lo fecero utilizzando la formula di Einstein E =mc2. Hahn pubblico i risultati degli esperimenti con Strassman nel gennaio 1939, ignorando il prezioso contributo che Lise Meitner aveva fornito prima a Berlino e poi per via epistolare. Meitner e Frisch pubblicarono i risultati da loro ottenuti nel febbraio 1939. A gennaio, Niels Bohr parti per New York, dopo essere stato informato a Copenhagen da Otto Frish sia degli esperimenti di Hahn e Strassman sia dell’interpretazione che lui e Lise Meitner ne avevano dato.

46 A gennaio, Niels Bohr partì per New York, dopo essere stato informato a Copenhagen da Otto Frish sia degli esperimenti di Hahn e Strassman sia dell’interpretazione che lui e Lise Meitner ne avevano dato. Appena giunto in America, Bohr informò Fermi della scoperta e dieci giorni dopo ne diede comunicazione ufficiale a tutti gli scienziati residenti in USA

47 L’impressione della notizia fu enorme, ma ai più riuscì difficile
intravedere, al di là dell’importanza scientifica della scoperta, concrete possibilità di una sua utilizzazione. Infatti tutti gli esperimenti di scissione effettuati fino ad allora erano stati effettuati con quantità di uranio estremamente esigue e avevano quindi sviluppato una trascurabile quantità di energia. Ma alcuni fisici si resero subito conto che la scissione nucleare comportava la possibilità di una reazione a catena se nel processo vengono emessi neutroni in modo continuo.

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49 LA GUERRA Agosto Gli scienziati rifugiati in America vivevano ore di angoscia: che cosa sarà del mondo se Hitler riuscirà ad avere per primo l’arma totale ? Tra i piu angosciati era l’ungherese Laos Szilard, che aveva confidato i suoi timori al patriarca della fisica moderna, Albert Einstein. Szilard convinse Einstein ad apporre la propria firma ad una lettera a Roosvelt nella quale ....

50 Stralci dalla lettera a Roosevelt :
Signor Presidente, la lettura dei manoscritti di alcuni recenti lavori di Enrico Fermi e Leo Szilard mi fa ritenere che l’elemento uranio possa originare una nuova e importante fonte di energia……Negli ultimi mesi ha preso consistenza l’ipotesi che, in una certa massa di uranio, si possa provocare una reazione nucleare a catena che liberi una energia notevolissima..utilizzando tale reazione si potrebbero ipotizzare delle bombe…eccezionalmente potenti… una sola di esse…fatta esplodere in un porto, distruggerebbe…il porto stesso e una parte considerevole del territorio circostante.In base a quanto sopra esposto, è probabile che lei ritenga opportuno che si stabiliscano contatti…fra il Governo e il gruppo di fisici americani interessati allo studio della materia…..per accelerare i lavori …Mi risulta che la Germania ha vietato l’esportazione dell’uranio estratto dalle miniere cecoslovacche…Un’azione così immediata non può stupire, se si pensa che il figlio del sottosegretario di stato tedesco…è membro del Kaiser Wilhelm-Institut di Berlino dove proprio adesso sono in corso esperimenti sull’uranio, analoghi a quelli che si stanno compiendo in America

51 Ma è certo che,nel 1940,almeno tre fisici tedeschi,
Heisenberg, von Weizsacher, Houtermans, avevano idee chiare sul modo di arrivare alla bomba. Sei anni dopo che l’atomica americana ebbe distrutto due città giapponesi, Einstein disse “ Se avessi immaginato una cosa simile, non avrei mai firmato quella lettera”. Ma nel 1939, in America, vi erano fondatissimi motivi per supporre che il nazismo potesse vincere proprio grazie all’arma atomica, se il mondo non avesse reagito in tempo.

52 REAZIONE A CATENA CONTROLLATA
Ma il punto nodale era un altro. Prima di pensare alla realizzazione della bomba, era necessario produrre in laboratorio una reazione a catena lenta e controllata, il che nell’aprile del 1940 era ancora solo un’ipotesi. A portarla avanti e a lavorarci fu Enrico Fermi che aveva già in mente la realizzazione di un reattore nucleare,la pila atomica, servendosi di cadmio e grafite.

53 LA SITUAZIONE PRECIPITA
Dopo Pearl Harbour nessuno ebbe dubbi sul fatto che la costruzione della pila atomica di Fermi dovesse avere la priorità su tutto. Nacque il “ Progetto Manhattan. Fermi fu il principale responsabile e il coordinatore delle ricerche.

54 COSTRUZIONE DELLA PILA ATOMICA
La costruzione della pila comincio a maggio e durò sette mesi. Si trattava di accumulare una sopra l’altra e una accanto all’altra delle mattonelle di grafite purissima alternate a sbarre cilindriche di uranio e intervallate da sbarre di cadmio.

55 Nella pila la grafite fungeva da moderatore dei neutroni le sbarre di cadmio servivano per regolare o arrestare il loro flusso. Era una operazione pericolosissima. I calcoli erano una magnifica cosa, ma cosa sarebbe accaduto se la pila intesa come reattore nucleare lento, si fosse all’improvviso comportata come un reattore nucleare veloce? Sarebbe diventata essa stessa una bomba atomica. Fermi non aveva dubbi sull’esito positivo dello esperimento.

56 La pila atomica, costruita manualmente con pazienza da certosini, fu pronta per la fine di novembre. Nella notte fra il 1 e il 2 dicembre 1942, c’era un freddo intenso: il termometro segnava un grado sotto zero ! I venti scienziati che erano convenuti fin dal primo mattino, erano imbaccucati in pesanti pastrani e giravano saltellando sulla punta dei piedi. Fra la sommità della pila e il soffitto, era stata sistemata una piattaforma di legno sulla quale erano arrampicati tre giovani allievi di Fermi, autodefinitisi la “ squadra suicida “, muniti di martelli con i quali frantumare grandi recipienti di vetro pieni di una soluzione di cadmio al fine di inondare la pila con la soluzione, assorbendo i neutroni e arrestando la reazione a catena, se qualcosa non avesse funzionato come previsto nel corso dell’esperimento imminente.

57 Alle ore 9. 45, con voce pacata, Fermi disse: “ George, è l’ora “
Alle ore 9.45, con voce pacata, Fermi disse: “ George, è l’ora “. George Weil, in un silenzio quasi attonito,cominciò a sfilare una sbarra di cadmio, provocando il ticchettio dei rivelatori Geiger. Era il segnale che la pila atomica funzionava. L’esperimento venne interrotto per una pausa. Alle riprese l’estrazione delle sbarre di cadmio, accompagnata dal ticchettio del contatore, che terminò alle L’esperimento era riuscito. Fermi, calmo e compassato, raccolse le congratulazioni emozionate dei colleghi e Wigner fece comparire, come per magia, un fiasco di vero Chianti toscano e i bicchieri di carta con i quali brindare.

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59 Si brindò al nuovo successo della scienza, ma sul volto di tutti c’era un’espressione preoccupata, quasi quegli uomini fossero diventati consapevoli che l’uomo aveva scoperto il modo di autodistruggersi. Compton corse al telefono per fare la comunicazione convenzionale: “ Il navigatore italiano è arrivato nel nuovo mondo. Le accoglienze degli indigeni sono state cordialissime.”