Arturo RussoDipartimento di Fisica e Tecnologie Relative

Università di Palermo

La scoperta del neutrone e La scoperta del neutrone e il Cavendish Laboratoryil Cavendish Laboratory

AIF – Scuola di Storia della Fisica 2005

La scoperta del nucleo La scoperta del nucleo atomicoatomico

Ernest Rutherford Ernest Rutherford (Manchester, (Manchester, 1911)1911)

Il Cavendish LaboratoryIl Cavendish Laboratory(Cambridge)(Cambridge)

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

Il Cavendish Laboratory al Il Cavendish Laboratory al tempo di Rutherfordtempo di Rutherford

"Ai teorici piace giocare con i simboli, ma noi, qui al Cavendish, riveliamo i fatti reali della natura!"

Patrick BlackettPatrick BlackettArrivato 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 ChadwickJames Chadwick

Arrivato nel 1920 e e principale collaboratore di Rutherford

Pyotr Pyotr KapitsaKapitsaResponsabile di ricerca sul magnetismo (1921-1934)

John Cockroft e Ernest John Cockroft e Ernest WaltonWalton

Foto di gruppo nel 1932Foto di gruppo nel 1932

Come è fatto un nucleo?Come è fatto un nucleo?Nucleo di carbonio (C)Massa: A = 12Carica: Z = 6

12 protoni (+)6 elettroni ()

In generale: ZXA A protoni, AZ elettroni

Gli elettroni nucleari:Gli elettroni nucleari:Le ragioni a favoreLe 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:Gli elettroni nucleari:Le ragioni contro (1)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 Gli elettroni nucleari:nucleari:

Le ragioni contro Le ragioni contro (2)(2)Lo spin dell’elettrone e lo

spin del nucleo dell’atomo 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

Gli elettroni nucleari:Gli elettroni nucleari:Le ragioni contro (3)Le ragioni contro (3)

Il momento magnetico nucleareIl 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 Gli elettroni nucleari:nucleari:

Le ragioni contro Le ragioni contro (4)(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

Gli elettroni nucleari:Gli elettroni nucleari:Il problema del Il problema del decadimento decadimento

Lo spettro beta e il principio di conservazione dell’energia

Il “disperato Il “disperato rimedio” di rimedio” di

Wolfgang PauliWolfgang Pauli(Dic. 1930)(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 continuo si potrebbe capire assumendo che nel decadimento viene emesso un neutrone insieme all’elettrone, in modo che l’energia dell’elettrone e del neutrone rimanga costante.”

La prima trasmutazione La prima trasmutazione nuclearenucleare

Rutherford Rutherford (1919)(1919)

Una prima interpretazioneUna prima interpretazione

N14 ,

O16

protoni

particelle di carica 2 e massa 3

La “Bakerian La “Bakerian lecture” del lecture” del 19201920Strutture stabili nel nucleo ?p ; (4p,2e) ; (3p,1e)

Forse anche (2p,1e), “un isotopo dell’idrogeno”Forse anche (1p,1e), “un doppietto neutro”

Una particella neutra 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 errataUn'interpretazione errataNel 1924 Rutherford e Chadwick mostrarono che la fantomatica particella (3p,1e) non esistevaNel 1925 Blackett dimostrò, in camera a nebbia, che si trattava di una reazione del tipo:

+ N14 O17 + p

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

CavendishCavendish

Chadwick Chadwick ricordaricorda(1962)(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 Il problema della struttura nuclearenucleare

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 Il problema della struttura nuclearenucleare

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 ricercaI 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 sperimentaleLa tecnica sperimentale

Sorgente radioattiva

(Po)

Bersaglio

p

La scoperta di La scoperta di Walter Bothe e Walter Bothe e Herbert BeckerHerbert Becker(Berlino, autunno (Berlino, autunno 1930)1930)

Walter Bothe

Po Be Radiazione molto penetrante

Una sorpresa, perché il berillio non emette protoni per bombardamento alfa

Una possibile Una possibile interpretazioneinterpretazione

Be9

C13

+ Be9 C13 + E ~ 1520 MeV, maggiore di quella delle particelle incidenti e maggiore di quella dei raggi dalle ordinarie sostanze radioattive

Una sorgente di raggi Una sorgente di raggi gamma di altissima gamma di altissima

energiaenergia

Po-Be

Due possibili linee di Due possibili linee di ricerca (1931)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

Al Cavendish si sceglie la Al Cavendish si sceglie la prima linea di ricercaprima 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 e un neutrone.

I risultati di I risultati di WebsterWebster

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 A Parigi si sceglie la sceglie la seconda seconda linea di linea di ricercaricerca

Irène Curie eFrédéric Joliot

La scoperta di AndersonLa scoperta di Anderson(autunno 1931)(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 protoniC. Anderson a

Caltech

Fenomenologia Fenomenologia dell’interazione radiazione-dell’interazione radiazione-

materia (1931)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)

RadiazionePo-Be

? ? ?

Fotoni dei raggi cosmici

Trasmutazioni nucleari con emissione di protoni (C. Anderson)

La scoperta La scoperta di Joliot e di Joliot e CurieCurie(11 gennaio (11 gennaio 1932)1932)

Po-Be

Sostanza idrogenata (acqua, paraffina,

ecc.)

Protoni

La scoperta di Joliot e La scoperta di Joliot e CurieCurie

“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

Ep ~ 4,5 MeV

E ~ 50 MeV

p

La notizia arriva a La notizia arriva a CambridgeCambridge

(~ 25 gennaio 1932)(~ 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"

"Damned …."Damned ….It's a It's a neutron!"neutron!"

La reazione di Chadwick nel ricordo di Occhialini

La scoperta di ChadwickLa scoperta di Chadwick

Po-Ben p

L'urto elastico di due particelle di uguale massa

La nuova interpretazione La nuova interpretazione della radiazione Po-Bedella radiazione Po-Be

Po

+ Be C12 + n + Be C12* + n

Be p

Hn

C12 + MeV

L’annuncio della scopertaL’annuncio della scoperta17 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 Society10 maggio Lungo articolo su Proceedings

Royal Society

Come è fatto un neutrone?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 Si ripropone il problema degli problema degli

elettroni nuclearielettroni nucleari

Il neutrone come particella Il neutrone come particella elementare?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 Il "compromesso" "compromesso" di Heisenbergdi 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“In concetto di "isospin“((Heisenberg 1932Heisenberg 1932))

Il legame protone-neutrone analogo al legame chimico della molecola di idrogeno ionizzato H2

+

p e p

p n n p

Sviluppo della teoria della Sviluppo della teoria della struttura nucleare (1933)struttura nucleare (1933)

Eugene Wigner

Ettore Majorana

Il problema del Il problema del decadimento 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), oppureuna seconda particella neutra emessa con l'elettrone (Pauli)?

CopenhagCopenhagen en (aprile (aprile 1932)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 Neutralitàportaci con te

Il 7° Congresso SolvayIl 7° Congresso Solvay

Bruxelles, 22-29 ottobre 1933

Bruxelles 1933: il bilancio Bruxelles 1933: il bilancio dell’dell’annus mirabilisannus mirabilis 1932 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 ….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 La teoria del decadimento decadimento gennaio 1934gennaio 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"

Gli elettroni sono Gli elettroni sono finalmente esclusi dal finalmente esclusi dal

nucleo atomico e il nucleo atomico e il principio di conservazione principio di conservazione

dell’energia è salvo!dell’energia è salvo!

La La radioattività radioattività artificialeartificiale(gennaio 1934)(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 La teoria delle forze nucleariforze nucleari(1935)(1935)

Hideki Yukawa

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)

La fisica nucleare La fisica nucleare entra nella maturitàentra nella maturità