Domenico Pacini, pioniere dimenticato della scoperta dei raggi cosmici

Domenico Pacini pioniere dimenticato della scoperta dei raggi cosmici

Lorenzo MarafattoUdine - 23 Marzo 2011

04/13/23 Lorenzo Marafatto 2

Obiettivi della tesi• Ricostruire la vicenda storica e scientifica di

Domenico Pacini, pioniere della scoperta dei raggi cosmici, attraverso lo studio dei suoi articoli originali.

• Contribuire al riconoscimento della figura di Pacini, finora decisamente trascurata, nella storia della scienza.

• Riproporre i suoi risultati attraverso gli articoli fondamentali in lingua inglese, per “metterli a disposizione” della comunità scientifica.


Sommario• Lo studio dei “raggi cosmici” fino a Pacini

• Studi sulla ionizzazione atmosferica

• Studi sulla radiazione penetrante

• L’esperimento definitivo

• Il lavoro di Victor Hess

• Riconoscimento di Pacini

• Raggi cosmici oggi

• Conclusioni


Lo studio dei “raggi cosmici” fino a Pacini

• Scarica spontanea degli elettroscopi (Coulomb 1785) per azione dell’aria e non per difetto di isolamento.

• Faraday conferma Coulomb con migliore isolamento (1835).

• Crookes rileva che la velocità di scarica diminuisce se la pressione diminuisce (conclusione: la causa è l’aria ionizzata) (1879).

• Wilson e Geitel (1900): utilizzo di un contenitore con isolamento metallico, la ionizzazione dell’aria è causata da un agente esterno.

• McLennan e Burton (1903): riduzione della ionizzazione dell’aria del 40% con schermo d’acqua di 120 cm.

• Kurz e Cline (1909): ionizzazione dell’aria originata da materiale radioattivo nella crosta terrestre.


Lo studio dei “raggi cosmici” fino a Pacini

• Theodor Wulf (1909): elettroscopio innovativo, con sensibilità di 1 V.

• Test dell’andamento della scarica dell’elettroscopio con l’altezza (torre Eiffel, 300 m).

• Diminuzione della scarica troppo piccola (circa la metà e non del tipo e-h/λ): assorbimento da parte dell’aria maggiore del previsto?

• Alfred Gockel (1909): ascensione in pallone fino a 4000 m: la ionizzazione non diminuisce con l’altezza come atteso se di origine terrestre.


Studi sulla ionizzazione atmosferica

• Pacini inizialmente si occupa di conducibilità elettrica nei gas, legata alla loro ionizzazione: esperienza con la strumentazione per il controllo degli effetti sistematici (1905).

• Utilizza il dispositivo di aspirazione di Ebert per misurare il numero di ioni e quindi la conducibilità nell’aria (1907-1911):– dalle misure dell’elettroscopio si ha: C∙∆V=n∙e∙v (v

mobilità, e carica elementare) e si può ottenere n, numero di ioni.

• Effettua misure a Roma, a Sestola e Livorno.• Ottiene valori di ionizzazione comparabili sopra il

terreno e sopra il mare.• Sul terreno si sapeva già che Torio e Radio producono

emanazioni radioattive ionizzati per l’aria, ma…da cosa dipende la ionizzazione sul mare?


Studi sulla radiazione penetrante

• Pacini si occupa quindi della radiazione penetrante (1909): causa della ionizzazione per l’aria in un contenitore metallico chiuso.

• Utilizza un contenitore di Zinco cilindrico contenente un elettrodo di rame comunicante con un elettroscopio esterno (precisione di 1/3 V).

• Misura una grande oscillazione in questa radiazione (tra 6 e 30 ioni per cm3 per secondo), sul terreno e sul mare.

• Sul terreno l’oscillazione non può dipendere dalle sostanze attive in esso contenute, emesse invece a tasso costante.

• Sul mare non può dipendere dalle sostanze attive del terreno.

• Deve esserci una causa esterna al suolo!


Misure sistematiche della radiazione sul suolo e sul mare

• Pacini inizia quindi uno studio sistematico della radiazione penetrante sul suolo e sul mare, a Livorno nel 1910, usando due elettroscopi di Wulf.

• Porta uno dei due dispositivi sul mare, a 300 m dalla costa (radiazione del suolo ridotta al 4%); l’altro dispositivo resta nel giardino dell’Accademia Navale; le misure vengono effettuate dai due dispositivi in contemporanea per 9 giorni.

• Poi scambia i due dispositivi e ripete le misure.


Misure sistematiche della radiazione sul suolo e sul mare

• Risultati:– numero di ioni derivanti dalla radiazione penetrante sul mare

≈ 2/3 di quelli sul suolo– oscillazione della radiazione penetrante sul mare con lo

stesso andamento di quella sul suolo– nessuna relazione fra stato del mare e andamento della

radiazione.

• Conclusione (Pubblicata nel Gennaio 1911): “Una parte non piccola della radiazione penetrante presente nell’aria ha origine indipendente dall’azione delle sostanze attive contenute negli strati superiori della crosta terrestre”.


L’esperimento definitivo• Realizzato tra il 24 e il 30 giugno 1911, di fronte

all’Accademia Navale di Livorno.

• Uno dei due dispositivi di misura già utilizzato nell’anno precedente viene immerso sott’acqua a 300 m dalla riva, a 3 m di profondità: l’intensità della radiazione penetrante diminuisce!– media di ioni misurati alla superficie: 11 per cm3 per

secondo– media di ioni misurati a 3 m di profondità: 8,9 per cm3 per

secondo– differenza di 2,1 ioni (circa del 20%).

• Questa differenza è consistente con l’assorbimento da parte dell’acqua di una radiazione esterna.


L’esperimento definitivo

• Pacini ripete l’esperimento sul lago di Bracciano due mesi dopo, nelle stesse condizioni.

• Differenza di ioni fra superficie e sott’acqua: 2,2 (in media).

• Conclusione (pubblicata su “Nuovo Cimento” VI/3, nel 1912): “esiste nell’atmosfera una sensibile causa ionizzante, con radiazioni penetranti, indipendente dall’azione diretta delle sostanze attive nel terreno”.


Il lavoro di Victor Hess• Victor Hess, fisico austriaco, utilizza

un pallone aerostatico per la misura dela radiazione penetrante.

• Effettua una serie di ascensioni a partire dal 28 Agosto 1911, soprattutto fra Aprile e Agosto 1912 (ascensione finale del 12 Agosto 1912 fino a 5200 m).

• Conclusione: l’aumento della radiazione con l’altezza deve dipendere da una radiazione che viene dell’alto, di origine extra-terrestre (Agosto 1912).

• Kolhörster conferma (1913 e 1914) i risultati di Hess salendo fino a 9200 m (radiazione aumentata di 10 volte).


Riconoscimento di Pacini• Corrispondenza fra Hess e Pacini:• Pacini ad Hess (Marzo 1920): “[…] ho potuto vedere alcune Sue

pubblicazioni […] mi duole che non siano stati citati affatto i lavori italiani su questo argomento, lavori a cui spetta senza dubbio la priorità […]”

• Hess a Pacini (Marzo 1920): “[…] il mio breve articolo è un report di una conferenza pubblica e perciò non è completo […]”

• Pacini ad Hess (Aprile 1920): “[…] molti autori sono citati mentre non c’è alcun riferimento ai miei rilevanti esperimenti realizzati sott’acqua sul mare a sul lago di Bracciano che mi hanno portato alla stessa conclusione che i voli in pallone confermarono successivamente […]”

• Hess a Pacini (Maggio 1920): […] Sono pronto a riconoscere che sicuramente avete avuto la priorità […] in “Nuovo Cimento”, febbraio 1912, ad affermare che una radiazione non terrestre di 2 ioni per cm3 per secondo è presente al livello del mare. Tuttavia, la dimostrazione dell'esistenza di una nuova fonte di radiazione penetrante proveniente dall’alto proviene dal mio volo in pallone a un'altezza di 5000 metri il 7 agosto 1912 […]”


Riconoscimento di Pacini• Gockel (1909) cita Pacini dopo il suo volo in pallone.• Wigand (in un articolo sulla radiazione penetrante, 1924) cita

Pacini.• Tecnica di Millikan (immersione dei dispositivi nei laghi Muir e

Arrowhead) “riprende” quella di Pacini.• Hess riceve il premio Nobel nel 1936 (nella relazione della

commissione è citato il lavoro di Pacini).• E. Amaldi il 14 Luglio 1941, scrive una lettera al direttore

dell’Istituto Fisico della Regia Università di Roma, in risposta ad un articolo su “Il Tevere”, che definisce “scienza giudaica” la fisica nucleare e lo studio dei raggi cosmici: “La suddetta affermazione appare ancor più strana a chiunque sappia, come Voi sapete, che il primo scopritore dei raggi cosmici fu l’italiano Pacini, a cui seguirono i tedeschi Hess, Kölhorster, ecc.”


Raggi cosmici oggi• Raggi cosmici come “proiettili” per studiare la

materia.• Scoperta del positrone (1933), muone (1937),

mesone (1947) e molte altre.• Tecnica di misura sott’acqua/sottoterra, con Pacini

come pioniere, utilizzata oggi per la ricerca sui raggi cosmici di altissima ed estrema energia e sui neutrini (NEMO, ANTARES, Gran Sasso) per:– indagini sull’origine dei raggi cosmici– ricerca di eventuali particelle sconosciute– nuova fisica?

• Tomografia a muoni (grande penetrazione permette di rilevare la presenza di elementi pesanti): sicurezza nucleare, archeologia.

• Fisica computazionale: simulazioni per “ricostruire” il raggio primario dai dati ottenuti in AUGER, test dei sistemi EUSO.


Conclusioni• Pacini fu il primo scopritore dei raggi cosmici? La scoperta dei raggi

cosmici non è l’intuizione di una sola persona ma un lungo percorso con il contributo di molti scienziati in Europa e negli USA, tra cui Domenico Pacini.

• Pacini certamente introdusse una nuova tecnica di misurazione utilizzata ancora oggi.

• Lavorò in condizioni difficili, con pochi finanziamenti e poca autonomia (impiegato al Regio Istituto di Geofisica e Meteorologia).

• Trovò una certa indifferenza accademica e poco riconoscimento e non riuscì a proporre le sue idee nel modo opportuno.

• Pubblicò in italiano, mentre al tempo la scienza utilizzava il tedesco o l’inglese.

• Nazionalismo e rivalità tra Europa e USA hanno contribuito al suo “oblio” (Hess stesso si scontrò con Millikan).

• Una lezione per la politica scientifica del futuro.

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