“E se può ridere un corpo senza perciò che lo formino semi che ridono, e avere senno e parlare dottamente senza perciò che lo formino semi sapienti e fecondi, o perché mai non potrebbe ciò che è fornito di senso venire dagli atomi privi totalmente di senso?”

lucrezio, De rerum natura, II,986 - 990

“ Se nel corso di un qualche cataclisma, dovesse andare distrutto tutto il sapere scientifico, e si

potesse trasmettere alla successiva generazione solo una frase, quale proposizione conterrebbe il

massimo d’informazione nel minor numero di parole?

Io credo che sia L’IPOTESI ATOMICA, cioè che TUTTE LE COSE SONO COMPOSTE DA ATOMI…”

Richard Feynman, lezioni di fisica 1963

Cosa hanno in comune le seguenti cose?

Cosa hanno in comune le seguenti cose?

UNA TARTARUGA

UN PAIO DI BOMBE

LE TUE MANI

L’OCEANO PACIFICO

PASTA E FAGIOLI PRRR!!

OGGI la risposta è semplice

OGNI COSA E’ FATTA DI ATOMI

IL MODO IN CUI SI

COMPORTA UN

MATERIALE DIPENDE DA

COME SONO DISPOSTI I

SUOI ATOMI

GRAFITE & DIAMANTEGRAFITE & DIAMANTEGRAFITE & DIAMANTEGRAFITE & DIAMANTEE’ difficile immaginare due solidi più diversi:

la prima è nera, così tenera da lasciare una striscia sulla carta, ha una superficie smorta, opaca, costa pochissimo. Il secondo è incolore, così duro da scalfire qualsiasi cosa, risplende di viva luce, può costare miliardi eppure, tanto la grafite quanto il diamante, sono due forme pure dell’elemento carbonio

E’ difficile immaginare due solidi più diversi:

la prima è nera, così tenera da lasciare una striscia sulla carta, ha una superficie smorta, opaca, costa pochissimo. Il secondo è incolore, così duro da scalfire qualsiasi cosa, risplende di viva luce, può costare miliardi eppure, tanto la grafite quanto il diamante, sono due forme pure dell’elemento carbonio

In passato non fu facile accettare l’idea

che noi e il nostro mondo fossimo fatti di piccole particelle

passive dette “ATOMI”ATOMI”

L’atomo ha conseguito l’accettazione universaledei fisici solo a partire dal 1905, quando Einstein spiego’ il fenomeno detto moto

Browniano

Quando una particella di piccole dimensioni, come un granello di polline,viene sospesa in un liquido e osservata al microscopio, si vede che si muove in un modo

casuale e irregolare.

Einstein spiegò che la particella si muove a causa degli urti con gli atomi del liquido.

““Un prodotto Un prodotto dell’immaginazione non dell’immaginazione non puo’ causare movimenti puo’ causare movimenti fisici”fisici”

Cosi’ Cosi’ Einstein Einstein sostenne sostenne che gli atomi dovevano che gli atomi dovevano essere realiessere reali

Oggi gli scienziati, usando dispositivi

chiamati microscopi a scansione ad effetto

tunnel possono eseguire vere e proprie

“fotografie”fotografie” di singoli atomi, cosicchè la questione è stata

definitivamente risolta

Per tutto l’ottocento e all’inizio del novecento si continuò a discutere se gli atomi avessero una realtà fisica o fossero semplicemente un’IDEA UTILEIDEA UTILE..

Nel 1906 il fisico austriacoLUDWIG BOLTZMANNLUDWIG BOLTZMANN era in uno stato di completa frustrazione e depressione. Per trent’anni aveva tentato, venendo spesso coinvolto in sgradevoli controversie, di convincere scienziati europei influenti dell’esistenza degli atomi.Quello stesso anno si suicidò

Purtroppo BoltzmannBoltzmann non fu in grado di

sostenere le sue idee perché non disponeva

delle dirette prove sperimentali sull’esistenza delle molecole, prove che i

ricercatori riuscirono ad ottenere solo qualche

anno dopo la sua tragica fine

“25 secoli fa, sulle rive di un mare divino, dove aleggiava il canto degli aedi, alcuni filosofi insegnavano già che la materia mutevole è composta da grani indistruttibili in cessante movimento , GLI GLI ATOMI ATOMI , che il caso e il destino riesce a riunire nel corso del tempo originando le forme e i corpi che ci sono familiari.”

Inizia così il celebre libro,

“Les atomes”, di

J.Perrin, premio nobel per la fisica nel 1926

Circa 2600 anni fa ebbe inizio un’attività di ricerca che ci ha condotti infine ad una comprensione largamente condivisa dell’universo naturale : una comprensione su cui concordano scienziati di ogni paese e di ogni cultura

Fu Democrito di Abdera (V -IV secolo a.c.) insieme al suo maestro Leucippo, il fondatore della concezione atomistica.Le sue idee filosofiche furono riprese da Epicuro e dal poeta latino Lucrezio.

Per diversi secoli la teoria di Democrito fu

incessantemente contestata, prima dalle varie scuole

filosofiche (i platonici che la tradizione vuole abbiano fatto bruciare le opere di

Democrito) e poi soprattutto da Aristotele, poi da molti

maestri delle singole discipline scientifiche

Bisogna arrivare all’inizio del’600 quando il filosofo

e scienziato francese Pierre Gassendi lesse il

poema di Lucrezio ed esortò vari dotti in tutta Europa a fare altrettanto

Nel 1660 in Inghilterra, Robert Boyle pubblicò

risultati di esperimenti che potevano essere

spiegati facendo l’ipotesi che l’aria fosse

fatta di atomi

Per più di un secolo furono accumulate abbastanza informazioni

teoriche e sperimentali da permettere a John Dalton

di scrivere un libro, edito nel 1808, in cui si dimostrava che i risultati di

moltissime reazioni chimiche potevano essere compresi

ipotizzando l’esistenza di un certo numero di elementi, ognuno

composto dal proprio genere di atomi

Attorno al 1870, il russo Mendeleiev, riuscì ad

organizzare gli elementi noti in una tabella che va sotto il nome di sistema periodico

degli elementi. Sulla base di regolarità connesse alla

struttura di questa tabella, Mendeleiev potè predire l’esistenza di vari elementi

ignoti

Quando le sue previsioni furono

confermate, l’idea della reale esistenza degli atomi acquistò una considerevole

credibilità.

Sempre intorno al 1870, lo scozzese Maxwell

e l’austriaco Boltzmann, riuscirono a spiegare le proprietà dei

gas fondandosi sull’intuizione che i gas

fossero composti di atomi

Già nel 1895 la scoperta dei decadimenti radioattivi e i risultati di altri esperimenti avevano cominciato a lasciare intendere che gli atomi chimici erano composti da altre cose

Queste ricerche riuscirono a convincere altri dell’esistenza

degli atomi.

Tuttavia la maggior parte degli scienziati non credeva ancora nella loro esistenza

Nel 1905 Einstein sostenne che un fenomeno scopertonel 1827 da Robert Brown, forniva una prova indiretta dell’esistenza degli atomi

Nel 1908 Jean Baptist Perrin, a Parigi,

dimostrò sperimentalmente

l’assoluta correttezza delle previsioni di

Einstein

Dopo 2600 anni, l’esistenza degli atomi era dunque

accettata pressochè universalmente!

E per la prima volta era stata dedotta la grandezza di una

molecola: il suo diametro risultò essere un

centomilionesimo di centimetro!

Ma gli scienziati non ebbero molto tempo per godersi il grande senso di felicità e di bellezza che può dare la comprensione di una parte della natura!

Lo studio della

struttura atomica

I fisici si pongono il problema di come sia fatto l’ atomo cioè di elaborare quelli che vengono chiamati

Tra tutti spiccano due nomi

J.J.ThomsonErnest Rutherford

Thomson nel 1897 misurò la carica specifica dell’elettrone e nel 1898

fece la prima ipotesi sulla struttura interna

dell’atomo supponendolo costituito da elettroni distribuiti in una nube

sferica di elettricità positiva

Ernest Rutherford, nato in Nuova Zelanda nel

1871, fece alcune tra le più

importanti scoperte del suo secolo.

Nel 1910, in Inghilterra, dimostrò

sperimentalmente che gli atomi erano formati da un

minuscolo nucleo circondato da elettroni

Da quell’intuizione e

dagli esperimenti che essa suggerì ebbe inizio un cammino lineare che giunse alla meta con la scoperta del quark top

nel Fermilab!

La luce e’ un’ , ed essa

sono

di dimensioni molto minori della sua lunghezza d’onda (diffrazione)

Poiche’ la lunghezza d’onda della luce e’ circa mille volte maggiore delle dimensioni di un atomo, e’ evidente che essa non e’

utile per osservare gli atomi

Che cosa potrebbe servire?

Bisogna utilizzare esperimenti indiretti,

ad esempio bombardare la

materia con proiettili sufficientemente

penetranti

Le radiazioni prodotte dal decadimento radioattivo sembravano fornire i proiettili adatti; Queste erano 8000 volte piu’ pesanti di un elettrone e quelle provenienti da una sorgente di polonio si muovevano alla velocita’ di circa 15000 km-s

Gli esperimenti di SCATTERING delle particelle eseguiti da Rutherford e dai suoi collaboratori furono i primi nei quali si spararono contro un bersaglio proiettili ad alta velocita’ e in cui si rilevarono e studiarono le particelle subatomiche risultanti

In seguito questo approccio e’ stato utilizzato molte altre volte

per scandagliare la materia sempre piu’ in profondita’, cioe’ con proiettili dotati di energia

sempre maggiore

Storicamente,ogni aumento

significativo dell’energia dei

proiettili ha condotto alla scoperta di un livello di struttura

più profondo!

I proiettili di Rutherford venivano sparati su sottilissimi fogli di

materiale,abbastanza sottili perché ci fosse una buona probabilità che una

particella venisse deviata da un solo atomo nell’attraversare il foglio.

Che cosa c’era da aspettarsi dal passaggio

di una particella attraverso una sottile

lamina di oro? E che cosa si scopri’

realmente?Entrambe le risposte sono pittorescamente

descritte da Rutherford

Rutherford riusci ‘ a dimostrare che gli atomi avevano un nucleo duro con un diametro 10.000

volte minore di quello dell ‘atomo stesso.

ANCHE L’ ATOMO ERA DUNQUE SCOMPOSTO!

A quei tempi

il nucleo

atomico sembrava la frontiera ultima degli

“oggetti” accessibili al microscopio.Ma sarà

così per poco.

L’atomo di Rutherford non era ancora completo.

C’erano parecchi problemi fondamentali da risolvere tra

cui due molto urgenti!

A) quale fosse la carica elettrica del pesante nucleo

centrale

B) come si muove ciascun elettrone intorno al nucleo

conformemente con le leggi note fino ad allora

A) a ciò rispose nel 1913 un giovane

allievo di Rutherford, Henry Moseley,che

studiò lo scattering dei raggi X (scoperti da

Roentgen nel 1895) da parte degli atomi di

diversi elementi.

Si poteva dimostrare che questa diffusione dipendeva

dalla carica del nucleo, e Moseley dimostrò che la

carica presente nel nucleo di elementi successivi della

tavola periodica, aumentava di una singola carica positiva

passando da un elemento all’altro

Così si arrivo’ a formulare che ogni

elemento chimico ha un nucleo

contenente un numero diverso di

(nuclei di idrogeno)

Il posto occupato da un atomo nella tavola periodica

veniva determinato dalla

carica positiva presente nel

nucleo e non dal peso atomico

Mentre LA CARICA di un nucleo

aumentava di una unità alla volta, i

PESI ATOMICI aumentavano in

media di due unità passando da un

posto al successivo

Come poteva LA MASSA dei nuclei aumentare

piU’ rapidamente

della loro CARICA?

Rutherford aveva Rutherford aveva proposto un modello proposto un modello

per per cui ciascun nucleo cui ciascun nucleo era costituito dal era costituito dal

numeronumero corretto di corretto di protoni, maprotoni, ma questo questo

modello non si modello non si adattava a tali fattiadattava a tali fatti riguardanti le masse riguardanti le masse

dei nucleidei nuclei

Si fece l’ipotesi che viSi fece l’ipotesi che vi fossero, all’interno delfossero, all’interno del nucleo, sia protoni chenucleo, sia protoni che

elettroni, così daelettroni, così da permettere permettere

combinazionicombinazioni protone - protone - elettrone cheelettrone che davano al davano al

nucleo una massanucleo una massa supplementare senza supplementare senza farnefarne aumentare la aumentare la

caricacarica

Già lo stesso Rutherford aveva fatto l’ipotesi che le coppie elettrone

- protone potessero

combinarsi in una particella neutra

pesante che chiamò

NEUTRONE

Ed esso

C’erano buone ragioni per

cercare il neutrone!

Fu attivamente cercato

Nel 1929, in Italia, le esperienze di RASETTI sulla

spettroscopia delle molecole di azoto,

misero in crisi l’ipotesi della

presenza degli elettroni nel nucleo

Nel 1930 i coniugi Joliot - CurieJoliot - Curie osservarono che le particelle derivanti dal decadimento radioattivo del radio, quando colpivano un pezzo di berillio, producevano un nuovo tipo di radiazione, con un altissimo potere penetrante

Questi nuovi raggi non sembravano associati ad una carica elettrica

poiché non venivano deviati da

campi elettrici o magnetici

In più, se questi incidevano sulla paraffina, venivano emessi da questa dei protoni ad alta velocità. Questi non potevano aver fatto parte della radiazione, essi dovevano provenire dalla paraffina

Nel 1923 il fisico inglese James Chadwick

fece rilevare che l’unico modo per dare un tale impulso a dei protoni era di usare

delle particelle altrettanto pesanti, cioè dei NEUTRONI.

Misurando l’ impulso dato ai protoni emessi dalla paraffina,

CHADWICKCHADWICK ottenne la massa del neutrone

IL NUCLEO NON ERA DUNQUE

COSTITUITO DA ELETTRONI E

PROTONI,MA DA

Neutroni e protoni

B) IL MODELLO MIRABILMENTE SEMPLICE DELL’ ATOMO NUCLEARE AVEVA QUALCHE PROBLEMA DI FUNZIONAMENTO.

LE EQUAZIONI DI MAXWELL DELL’ ELETTROMAGNETISMO

PREVEDEVANO CHE UNA CARICA, RUOTANDO, IRRADIASSE ENERGIA.

PERTANTO GLI ELETTRONI DELL’ATOMO

IN UN MILIONESIMO DI SECONDO AVREBBERO DOVUTO

COLLASSARE SUL NUCLEO.

Nel 1913, un giovane scienziato danese

Niels Bohr, fece l’ipotesi che gli elettroni soggetti ad accelerazioni non

producessero radiazioni!

Egli riuscì a spiegare il più semplice degli

spettri atomici, quello dell’idrogeno, con una ipotesi profondamente

“non classica” o come si dice “quantistica” sui possibili movimenti

dell’elettrone nell’atomo e sugli scambi di energia

Dopo la scoperta della prima particella instabile,

il neutrone, la storia si fece molto complicata.Gli strumenti disponibili non erano in grado di

rilevare altre particelle, troppo instabili per essere messe in evidenza dalla limitata strumentazione

disponibile

I fisici si I fisici si dedicarono dedicarono pertanto a pertanto a perfezionare gli perfezionare gli strumentistrumenti

ANCHE SE SI CONOSCEVANO SOLO LE FORZE

ELETTROMAGNETICHE IL CUI QUANTOQUANTO È IL FOTONEFOTONE, SI

CAPIVA CHE ESSE NON POTEVANO SPIEGARE LA STABILITÀ DEL NUCLEO

ATOMICO NEL QUALE PROTONIPROTONI E NEUTRONINEUTRONI ERANO

COMPRESSI IN UNO SPAZIO PICCOLISSIMO

Il modello del nucleo a protoni e neutroni era soddisfacente ;

naturalmente il nucleo doveva essere molto piccolo, cosicché gli

elettroni non si sarebbero mai mossi molto vicino ad esso.

MA QUANTO PICCOLOMA QUANTO PICCOLO

Il nucleo piu’ piccolo e’ circa un decimilionesimo di milionesimo di

centimetro .

Se tutta la massa di un Se tutta la massa di un atomo era concentrata in un atomo era concentrata in un nucleo piccolissimo, allora la nucleo piccolissimo, allora la densità entro questo nucleo densità entro questo nucleo

doveva essere altissima! doveva essere altissima! invero lo era, il suo valore e’invero lo era, il suo valore e’

di circa 200 milioni di milioni di circa 200 milioni di milioni di di

g/cm^3 g/cm^3

COME POtevano I PROTONI, CARICHI POSITIVAMENTE,

CHE SI RESPINGono A VICENDA PER

LA FORZA COULOMBIANA, ESSERE TRATTENUTI ENTRO IL

NUCLEO? PERCHE’ IL NUCLEO NON SI

DISINTEGRAva?

LE SPIEGAZIONI POTEVANO ESSERE 2:

1)C’ERA UNA MODIFICAZIONE DELLA FORZA COULOMBIANA

2)CI DOVEVA ESSERE UN’ ALTRA FORZA

CHE A QUESTE BREVI DISTANZE PREVALEVA SULLA REPULSIONE

COULOMBIANA.

L’alternativa corretta è la seconda.

C’e’ una forza supplementare che

tiene assieme protoni e neutroni

MISURANDO LA DEVIAZIONE CHE UN PROTONE SUBIVA QUANDO SFIORAVA UN NUCLEO ATOMICO, FIN DAL 1935 SI ERANO CONSTATATE DELLE ANOMALIE IN QUESTA DIFFUSIONE, DATO CHE, INVECE DI ESSERE RESPINTO DAL CAMPO ELETTRICO, IL PROTONE ERA ATTIRATO QUANDO PASSAVA MOLTO VICINO AL NUCLEO

QUESTA FORZA CHE , QUESTA FORZA CHE ,

AGENDO TRA PROTONI E AGENDO TRA PROTONI E NEUTRONI DEL NUCLEO , LI NEUTRONI DEL NUCLEO , LI

TIENE LEGATI, VENNE TIENE LEGATI, VENNE CHIAMATACHIAMATA

FORZA DI INTERAZIONE FORZA DI INTERAZIONE NUCLEARE O FORZA FORTENUCLEARE O FORZA FORTE

NEL 1935, IL FISICO GIAPPONESE YUKAWA, SPIEGO’ LA FORZA FORTE

Non si manifesta E’una forza molto a grande distanza , intensa (forte) più il suo effetto non intensa dell’ iterazione è sensibile al di là coulombiana: le del raggio del interazioni forti sono nucleo, è una forza cento volte più intense a corto raggio di di quelle elettriche! azione.

Per stimare l’intensità con cui protoni e neutroni interagiscono, si può calcolare l’energia

richiesta per scindere il nucleo nei protoni e

neutroni che lo costituiscono

questa energia è detta energia di legame

L’energia di legame aumenta con regolarità a

partire da

E = 2.000.000 di EV

EV = 1 elettronvolt = energia che un elettrone acquista quando viene

accelerato da una DDP di un Volt = 1,6*10^ -19 J

Yukawa suppose che il

campo nucleare si manifestasse con un QUANTO analogo al fotone del campo elettrico, dato che la distanza tra nucleoni è molto piccola, un fotone di questo tipo dovrebbe avere una lunghezza d’ onda molto corta a causa della grande energia.

Dai calcoli , Yukawa dedusse che il quanto del campo

nucleare Doveva averE una massa duecento

volte maggiore di quella

dell’ elettrone

Nel 1937, studiando gli effetti della radiazione cosmica, Anderson (lo scopritore del positrone) e Neddermeyer trovarono tracce di particelle aventi massa intermedia tra il protone e l’elettrone, particelle che sembravano corrispondere alle previsioni di Yukawa.

Queste particelle vennero considerate

come i quanti del campo nucleare

e vennero chiamate dapprima

““MESOTRONI””

e poi “MESONI”

Ma la nuova particella

interagiva solo debolmente con i nuclei, un miliardo di volte meno delle

previsioni di Yukawa

Nel 1947

PanciniPancini-Piccioniiccioni

ma poi anche FermiFermi, e tanti altri proposero che la

particella di Yukawa Yukawa avesse una vita così breve da rendere molto difficile

la sua rilevazione

Studiando al microscopio le

tracce che i mesonimesoni lasciavano nelle

emulsioni nucleari, ci si accorse che tutte

presentavano tre parti distinte

All’inizio si distingueva una traccia breve prodotta da una particella che fu identificata essere la vera particella di Yukawa, alla quale fu dato il nome di MESONE PIGRECOMESONE PIGRECO o PIONEPIONE

La seconda traccia fu La seconda traccia fu attribuita ad una attribuita ad una

particella prodotta particella prodotta dalla disintegrazione dalla disintegrazione della precedente e della precedente e identificata con il identificata con il

MESONEMESONE scoperto da scoperto da AndersonAnderson

La terza fu attribuita all’ELETTRONE prodotto nella

disintegrazione del pione in un muone e quindi in un elettrone

LA PICCOLA DIFFERENZATRA LE

MASSE DEL PIONE E DEL MESONE IMPEDI’ PER

LUNGO TEMPO DI DISTINGUERLI!

Un altro passo verso la comprensione del nucleo atomico venne compiuto determinando la causa dei decadimenti radioattivi

Quando un nucleo subisce un decadimento alfadecadimento alfa perde due neutroni e due protoni cosicché, il nucleo trasformato ha, rispetto al genitore, quattro unità in quattro unità in meno meno

di massa e due unità di massa e due unità

in meno di carica.in meno di carica.

Il decadimento alfa avverrà se il nucleo nuovo è più stabile di quello vecchio.

Una teoria soddisfacente del decadimento alfa, fu

sviluppata nel 1928 in America da Gamow, Condon e Gamow, Condon e

Gurney.Gurney.Fu il primo trionfo della meccanica quantistica!

IL DECADIMENTO ALFAIL DECADIMENTO ALFA si poteva spiegare sulla base

delle sole interazioni forti che tengono insieme il nucleo.

Esso avverrà all’interno del nucleo soltanto se il nucleo finale ha minore

energia totale del nucleo iniziale. La velocità con cui

esso

avviene o, ciò che è lo stesso, la durata della vita media del nucleo originario, dipende

fortemente dalla quantità di energia liberata nel

decadimento.

Alcuni NUCLEI NUCLEI decadono rapidamente, in tempi

dell’ordine di un trentesimo di secondo, altri non

decadono che in miliardi di anni, mentre il neutrone

libero decade in poco più di dodici minuti. (per ottenere un raggio gamma un nucleo impiega un miliardesimo di

secondo!)

Il processo di emissione dei raggi raggi

gammagamma implica l’emissione di luce

da parte di un nucleo instabile che finisce in uno stato

più stabile. Tale processo viene

interpretato sulla base delle equazioni

di Maxwell Maxwell e dei risultati sinora

esposti

Rimaneva da comprendere il processo di decadimento

beta

E fu necessario un notevole E fu necessario un notevole periodo di tempo per periodo di tempo per

comprenderlo, dal 1900, comprenderlo, dal 1900, quando quando BECQUEREL

dimostrò che i raggi beta dimostrò che i raggi beta erano in realtà sciami di erano in realtà sciami di

elettroni, al 1933 quando elettroni, al 1933 quando Enrico Fermi presentò la Enrico Fermi presentò la

struttura matematica della struttura matematica della sua teoria sul decadimento sua teoria sul decadimento

betabeta

Una delle prime difficolta’ da affrontare eRA che, nel decadimento betadecadimento beta, vENIVA emesso un elettrone dal nucleo, nel quale precedentemente non esisteva.In altre parole si AVEVA nel nucleo un processo di CREAZIONE di un elettrone

Questo processo eRA un nuovo importante aspetto del mondo subatomico che si

stava studiando

Nel Nel DECADIMENTO DECADIMENTO BETABETA si creano si creano

elettroni come dal nulla!elettroni come dal nulla!

L’idea fondamentale dellaL’idea fondamentale della

conservazione,che risaliva conservazione,che risaliva aiai

Greci,sembrava essere Greci,sembrava essere statastata

definitivamente distruttadefinitivamente distrutta!

Per aumentare la confusione , sembrava che

un’altra legge di conservazione, la legge di conservazione dell’energia e della quantità di moto,

fosse stata violata nel processo di decadimento decadimento

beta!beta!

Infatti le particelle beta (elettroni) emesse nel

decadimento radioattivo sembravano avere un’intera gamma di valori dell’energia e delle quantita’ di moto in media considerevolmente minori di quanto potesse

fornire ad esse in nucleo che subiva il decadimento

La risposta a questa domanda fu data da

Pauli negli anni venti: essa era trasportata via

da una particella invisibile che egli chiamò neutrinoneutrino

Questo neutrino era davvero una

particella notevole:

non aveva ne’

carica ne’ massa, ma era

destinata semplicemente a

trasportare via l’energia e la

Quantita’ di moto in eccesso!

Il neutrino neutrino sembrava senz’altro

necessario per mantenere valide

queste leggi di conservazione,

piuttosto importanti ma,essendo

praticamente invisibile,era

molto difficile da osservare

COSÌ È DEL TUTTO CORRETTO ORA SCRIVERE IL PROCESSO

FONDAMENTALE DI DECADIMENTO BETA COME

SEGUE:

n p+e-+ν

Ove la freccia mostra la direzione nella quale avviene il

processo.

La reazione di DECADIMENTO BETADECADIMENTO BETA si deve considerare così:

Un neutrone all’interno di un nucleo si trasforma in un

protone, mentre simultaneamente vengono emessi un elettrone e un

neutrino

Ma come Ma come avviene tale avviene tale processo? processo?

Esso avverrà all’interno del nucleo soltanto se il nucleo

finale ha minor energia totale del nucleo iniziale.

La velocità con cui esso avviene o ,ciò che è lo stesso, la durata della vita media del

nucleo originario, dipende fortemente dalla quantità di

energia liberata nel decadimento

Alcuni Nuclei Decadono Rapidamente, in Tempi Dell’ordine Di Un Trentesimo Di Secondo, Altri Non Decadono Che in Miliardi Di Anni, Mentre Il Neutrone Libero Decade in Poco Più Di Dodici Minuti.( Per Emettere Un Raggio Gamma Un Nucleo Impiega Un Miliardesimo Di Secondo!)

Tutto ciò ci porta a sostenere che il processo di decadimento beta ha luogo per azione di una forza diversa da quella coulombiana, e anche presumibilmente diversa dall’interazione forte, poiché elettroni e neutrini appaiono solo per un momento nel nucleo

Che cos’e’ questa nuova

forza?

Essa doveva essere una forza debolissima! L’interazione tra i neutrini e la materia ERA cosI ‘ debole che Cowan e Reines trovarono che avrebbero avuto bisogno di uno schermo di ferro spesso parecchi anni luce per ridurre a metA’ il fascio di neutrini uscente dalle pile atomiche.

Giustamente affermarono che il loro

esperimento per rilevare il neutrino era

“ il più difficile esperimento di fisica che si potesse pensare

”

la forza che provoca il decadimento beta

fu giustamente chiamata

FORZA DEBOLE o

INTERAZIONE DEBOLE

Essa fu correttamente compresa dal Essa fu correttamente compresa dal fisico italiano fisico italiano E.E.FermiFermi

quando avanzo’ l’ipotesi piu’ semplice quando avanzo’ l’ipotesi piu’ semplice possibile che la probabilita’ del possibile che la probabilita’ del

decadimento beta fosse proporzionale decadimento beta fosse proporzionale al prodotto delle probabilita’ di al prodotto delle probabilita’ di

trovare l’elettrone, il neutrone , il trovare l’elettrone, il neutrone , il neutrino e il protone tutti nello stesso neutrino e il protone tutti nello stesso

punto entro il nucleopunto entro il nucleo

C’era un punto importante che risolveva la teoria di FERMIFERMI e cioè:

come poteva esserci tale decadimento se inizialmente non c’erano elettroni o neutrini nel nucleo genitore?

La risposta di FERMIFERMI fu che essi venivano creati

continuamente dagli effetti della interazione debole, una volta che erano creati, c’era una probabilità non nulla di

trovarli in un dato punto

ENRICO FERMI E LA FISICA ITALIANA

Gli anni 1900-1902 videro la nascita di cinque GRANDI che hanno gettato le basi delle nuove conoscenze in fisica. In ordine di nascita essi sono: Pauli, Pauli, Dirac, Heisenberg, Dirac, Heisenberg, Fermi, Jordan.Fermi, Jordan.

Tra gli anni 1920 e 1933 questi giovanissimi giganti gettarono le basi delle nostre attuali conoscenze. Questo periodo diverrà noto in GottingenGottingen come gli anni KnabenphysikKnabenphysik (la fisica dei ragazzi).

EnricoEnrico FermiFermi non partecipò direttamente alla prima assoluta fondazione delle nuove idee, ma contribuì enormemente a semplificarle, ed a portarle ad una visione unitaria.Un compito delicato e difficile che gli era peraltro naturale

Nel 1926 FermiFermi entrò tra i grandi con la su statistica sulla “quantizzazione del gas perfetto monoatomico”, la statistica proposta per la prima volta da lui, che prese il nome di FermiFermi - DiracDirac

Gli anni 1926 - 1930 furono estremamente intensi e fruttuosi: Fermi non si interessa direttamente delle applicazioni della sua teoria, ma rivolge i suoi interessi verso l’avanguardia della fisica : l’elettrodinamica quantistica. I problemi connessi all’emissione e all’assorbimento dei fotoni

Nel 1930 intorno a FermiFermi e RasettiRasetti, si raccolse un gruppo di giovanissimi fisici: Segrè,Amaldi e MajoranaSegrè,Amaldi e Majorana. Tutti ben decisi ad imparare le tecniche della fisica nucleare.Nacque il gruppo di via Panisperna

Nell’autunno del 1932 si decise di dare inizio a un programma di ricerche in fisica nucleare. Venne realizzata una camera a nebbia, vennero realizzati vari tipi di Geiger

Nel 1933 FermiFermi completò il suo celebre lavoro “tentativo di una teoria dei raggi beta”.FermiFermi aprì un nuovo campo della fisica : la fisica delle interazioni deboli

Nel gennaio del 1931 i coniugi Curie - JoliotCurie - Joliot

annunciarono la scoperta di nuovi radioisotopi ottenuti bombardando i nuclei di elementi leggeri con particelle alfa. FermiFermi intuì immediatamente che i neutroni potevano essere validamente utilizzati come proiettili per indurre radioattività artificiale

I neutroni essendo privi di carica non sono soggetti alla repulsione coulombiana esercitata dai nuclei bersaglio e pertanto più efficaci

Ma i neutroni sono un po’ più difficili da produrre che non le particelle alfa perché non esistono sorgenti dirette di neutroni, ma sono essi stessi il prodotto di disintegrazione nucleare.Bisognava quindi procurarsi una sorgente di neutroni!

Trovata la sorgente, iniziarono le sperimentazioni!

Quando il neutrone colpisce il nucleo possono avvenire diversi fenomeni

Le reazioni piu’ comuni

Reazione ( n , )reazione (n , p)reazione (n , )

La reazione (n , ) vuol dire che il neutrone viene inghiottito dal nucleo , il quale viene così eccitato, allora può emettere radiazione elettromagnetica sotto forma di raggi gamma e trasformarsi in un nucleo il cui peso è aumentato di una unità

La reazione (n,p) vuol dire che il neutrone entra e scaccia un protone.Un neutrone si sostituisce ad un protone

La reazione (n,) vuol dire che un neutrone entra ed esce una particella alfa.Un neutrone i sostituisce ad una particella alfa

In ognuna di queste reazioni si forma un nucleo diverso da quello colpito. Si parte in genere da un nucleo stabile e si va a finire il più delle volte in un nucleo non stabile, cioè radioattivo

Così vennero prodotti una cinquantina di nuovi elementi che vennero studiati e identificati nel laboratorio di Roma

LA SCOPERTA!“ Uno spessore di alcuni centimetri di paraffina interposto tra la sorgente e l’argento invece di diminuire l’attivazione la aumenta”Così annunciò lo stesso Fermi la sua sensazionale scoperta in una lettera per “La ricerca scientifica”

I neutroni rallentati fino all’energia dell’agitazione termica delle molecole dalle collisioni con nuclei di idrogeno passavano più tempo nelle vicinanze dei nuclei bersaglio diventando più efficaci nell’indurre la radioattività artificiale

La scoperta dell’effetto dei NEUTRONI LENTI aprì una nuova fase nel programma di ricerca del gruppo, la scoperta ebbe immediate applicazioni pratiche nella possibilità di produrre isotopi radioattivi da utilizzare come traccianti in fisica, in chimica in medicina

Il 10 novembre del 1938 Fermi ricevette l’annuncio ufficiale del conferimento del

PREMIO NOBELPREMIO NOBEL

Dopo il soggiorno di Stoccolma decise di proseguire direttamente per gli Stati Uniti insieme con la moglie Laura

La causa scatenante fu certamente la promulgazione delle leggi razziali da parte del governo italiano ma come ricorda il suo amico Segrè : “lo attiravano i laboratori attrezzati, gli abbondanti mezzi di ricerca, l’entusiasmo della nuova generazione dei fisici”

RIASSUMENDORIASSUMENDO• Il decadimento beta procede per

mezzo della interazione debole• il decadimento gamma per mezzo

della interazione elettromagnetica• l’interazione forte è responsabile del

fatto che il nucleo si mantiene insieme e provoca il decadimento alfa

Evoluzione del concetto di forza•NEWTON : azione a distanza•FARADAY :concetto di campo di forza•YUKAWA: una forza è qualsiasi

interazione fra due oggetti che avviene mediante lo scambio di una particella (mediatrice della interazione)

Tipointerazione

intensità effetto Particella cheproduceinterazio

Forte 14 Tieneinsieme il

nucleo

Pioni

Elettromagnetica

1/137 Mantiene glielettronilegati alnucleo

fotoni

Debole 10^-5 Causa laradioattività

Mesonideboli

gravitazionale

10^-39 Mantiene ipianeti legati

al sole

gravitoni

Una volta scoperto il neutrone era forte la

tentazione di supporre che i componenti fondamentali

fossero ormai stati trovati e che tutta la materia fosse

composta di protoni, neutroni ed elettroni

Ben presto emersero ragioni per considerare insoddisfacente questa ipotesi

Dopo la seconda guerra mondiale fu costruito lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) per

scandagliare protoni e neutroni usando elettroni come proiettili,

in esperimenti analoghi a quelli di Rutherford. Si dimostrò che

protoni e neutroni erano particelle composte

Una varietà di esperimenti condussero alla scoperta di

un gran numero di particelle che furono

chiamate collettivamente “adroni”( in questa

categoria rientrano anche protoni e neutroni)

Nel 1968 una nuova serie di esperimenti allo SLAC,

che utilizzavano

elettroni ad alta energia, scoprì l’esistenza di

QUARK (up e down) nei protoni e nei neutroni

Il segnale fu molto simile a quello trovato parecchio

tempo prima da Rutherford. Come allora, troppi proiettili

rimbalzavano invece di passare oltre, cosicchè era

chiaro che dovevano colpire qualcosa di duro

All’inizio degli anni ‘70 i nuovi sviluppi cominciarono

ad assumere un ritmo incalzante. Si vide che le teorie fondate sui quark e

sugli adroni acquistavano un senso anche in altri modi

Il passo avanti finale, quello che condusse ad una accettazione quasi completa dei quark, fu la SCOPERTASCOPERTA di un nuovo quark, il quark charm, nel novembre

del 1974.

QUARK ED ELETTRONI

SONO I SEMI DELLA

NATURA ?

Pare proprio di si.Pare proprio di si.Fino ad un certo Fino ad un certo

livello glilivello gli esperimenti esperimenti hanno trovato hanno trovato una una struttura poi, piu’ struttura poi, piu’

niente!niente!

La risposta La risposta corretta è:corretta è:

tutta la materia tutta la materia reale è composta reale è composta di di QUARK UPQUARK UP, , didi QUARK DOWNQUARK DOWN ed ed

ELETTRONIELETTRONI

Terrinoni Angelo

Fanella Martina

Cicuzza Giovanni

Coccia Beatrice

Cori Emanuele

D’Amico Gabriele

Dell’Uomo DonatellaFortini Noemi

Giardino PierPaolo

Latini Marta

Mastracco Roberta

Meloni Roberto

Nafra Paola

Pantano Luca

Pelorossi Fabio

Quattrociocchi Serena

Rapone Stefano

Recchia Davide

Spagnoli Marzia

Ritarossi Luca

UN GRAZIE SPECIALE A

“π”UN GRAZIE SPECIALE A

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