1

LE GRANDI RIVOLUZIONI DELLA FISICA MODERNA

I pionieri della fisica atomica e nucleare (1895-1945) :

50 anni che sconvolsero la fisica.

Franco TonoliniPresidente della Fondazione Livia Tonolini

per la Didattica e la Divulgazione delle Discipline Scientifiche

Fonti delle immagini:

• I grandi della scienza, Le Scienze, Personaggi e scoperte della fisica contemporanea di Emilio Segrè, La scoperta delle particelle subatomiche di Stefan Weinberg, Fisica a temi di Franco Tonolini

2

LO STATO DEI LABORATORI E DELLE RICERCHE DI FINE SECOLO XIX

•I tentativi di catturare l’elettricità e lo studio delle scariche elettriche nei gas deitubi catodici

•Le difficoltà nel produrre un buon vuoto nei tubi catodici •I primi rudimentali trasformatori della tensione elettrica •La disponibilità di sostanze fluorescenti e fosforescenti

ASSIOMI E DISPUTE DI FINE SECOLO XIX

•La continuità delle grandezze e dei fenomeni fisici: la natura non procede per salti•La materia è stabile e immutabile•Le radiazioni sono onde•Il tempo e lo spazio sono assoluti•Determinismo e causalità•L’atomo, se esiste, è indivisibile

3

DICEMBRE 1895. LA SCOPERTA DEI RAGGI XWilhelm Rötgen(1845-1923).Premio Nobel per la fisica (1901). Università di Wurzburg (Baviera).

Effettua esperimenti sulla fluorescenza prodotta dai raggi catodici. Nel corso di questi esperimenti scopre una radiazione penetrante che attraversa la carta nera che aveva avvolto al tubo catodico e addirittura la sua mano, proiettandone l’ombra su uno schermo fluorescente. La radiazione viene chiamata raggi X.

Un rudimentale tubo per lo studio dei raggi catodici

4

Radiografia della mano, dicembre 1895

Radiografia del fucile da caccia di Rötgen, dicembre 1895

La prima radiografia X di corpo umano (mosaico), Agosto 1896

5

FEBBRAIO 1896. LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’NATURALEHenri Becquerel (1852-1908). Premio Nobel per la fisica con i coniugi Curie (1903). Ecole Polytecnique.

Venuto a conoscenza della scoperta dei raggi X, vuole verificare se la radiazione di fluorescenza eccitata dalla luce solare su un campione di composto di uranile contiene raggi X.

Avendo depositato la lastra fotografica in un cassetto trova la lastra impressionata intensamente da una radiazione emessa dall’uranile.

La radiazione viene chiamata raggi Becquerel.

La lastra impressionata dai raggi Becquerel

6

1897. SCOPERTA DELL’ELETTRONEJoseph John Thomson(1856-1940). Premio Nobel per la fisica (1906). Cavendish Laboratory di Cambridge.

Thomson sospetta che i raggi catodici siano particelle con carica elettrica. Lo dimostra facendo deviare i raggi catodici in campi elettrici e magnetici.

Misura il rapporto tra la carica elettrica e la massa di queste particelle e la trova 1846 volte quella del medesimo rapporto dello ione di idrogeno ottenuto già da Farady nel 1832.

La deviazione del fascio catodico risulta molto grande. Dunque carica elevata o massa piccola?

Viene adottata l’ipotesi di massa piccola e carica uguale e di segno opposto a quella dello ione di idrogeno.

Schemi di tubi catodici utilizzati da Thomson

7

1898. SEPARAZIONE DI ELEMENTI RADIOATTIVI DAL MINERALE URANIOMaria Sklodowska Curie (1867-1934) e Pierre Curie(1859-1906). Premi Nobel per la fisica (1903). A Marie Curie viene assegnato anche un premio Nobel per la chimica(1911). Ecole de Physique et de Chimie.

I coniugi Curie ripetono gli esperimenti di Becquerel.

Dal minerale contenente uranio ricavano, mediante reazioni chimiche, il polonio, il radio , il torio.

Nasce la radiochimica.

Verificano che gli elementi radioattivi decadono con tempi caratteristici degli elementi.

Marie e Pierre Curie nel loro laboratorio

8

9

1898. SCOPERTA DEI RAGGI BETA E ALFA

Ernest Rutherford(1871-1937). Premio Nobel per la fisica (1908).Dalla Nuova Zelanda all’Inghilterra, al Canada, di nuovo in Inghilterra.

Al Cavendish Laboratory di Cambridge, come allievo di Thomson, segue l’evoluzione delle ricerche e inizia a occuparsi di radioattività.

Utilizzando i campi magnetici che deflettono diversamente le particelle cariche di diversa massa scopre che le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive sono di tre tipi : alfa(α), beta(β) e gamma(γ).

Rutherford ventenne

10

1899-1906. CARATTERIZZAZIONE DELLE EMISSIONI RADIOATTIVE

Rutherford lascia il Cavendish e si trasferisce in Canada per coprire la cattedra di fisica alla McGill University di Montreal.

Scopre i gas radioattivi(radon ed emanazione torio).

Stabilisce, attraverso la misura del rapporto carica/massa, che la particella alfa è l’atomo di elio ionizzato.

Determina la legge del decadimento radioattivo.

NN λ−=∆

TeNtN693,0

)( −⋅=

T =λ693,0

dove

Andamento del decadimento radioattivo nel tempo

11

1900.L’ORIGINE DELLA MECCANICA QUANTISTICA: IL QUANTO DI AZIONE

Per interpretare i fenomeni di assorbimento ed emissione di radiazioni del corpo nero,Planck postula che l’energia elettromagnetica può presentarsi in forma granulare e quindi non continua ma discreta.

La radiazione elettromagnetica può essere pensata come costituita da piccoli pacchetti di energia inizialmente chiamati quanti e poi fotoni. Ciascun pacchetto trasporta una quantità di energia proporzionale alla frequenza associata alla radiazione. Planck postula che:

con h= 6,63j·s , che stabilisce una relazione tra energia e frequenza di una radiazione.

Max Planck(1858-1947).Monaco,Berlino,Gottinga.

νhE =

12

1903. IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON

Thomson immagina l’atomo come costituito da una sfera di carica elettrica positiva distribuita uniformemente in tutto il volume dell’atomo.

Gli elettroni sono disseminati nel volume come i semi di un cocomero.

Dunque la carica negativa è discreta mentre quella positiva è continua ? ! !

Max Planck(1858-1947).Monaco,Berlino,Gottinga.

13

1905-1907. LE FORMULE CHE CAMBIARONO IL MONDOAlbert Einstein(1879-1955). Premio Nobel per la fisica per l’interpretazione dell’effetto fotoelettrico (1921-22).Ulm , Monaco , Zurigo,……Princeton.

Da impiegato di terza categoria dell’Ufficio Brevetti di Berna pubblica la teoria della relatività ristretta.

Sulla base della teoria dei quanti interpreta l’effetto fotoelettrico proponendo che la luce si comporti come una particella di energia cioècome un fascio di fotoni.

2mcE =

2

20

v1c

mm−

=

All’ufficio brevetti A Princeton

14

1907-1911. IL MODELLO PLANETARIO A NUCLEO DELL’ATOMO DI RUTHERFORD

Rutherford lascia la cattedra di Montreal per assumere quella di Manchester.

Qui realizza la famosa esperienza della diffusione delle particelle alfa da parte di una sottile lamina di oro. Le particelle vengono rivelate dalle scintillazioni prodotte su uno schermo fluorescente.

Dai dati dell’esperienza conclude che l’atomo è costituito da un nucleo di diametro circa 10000 volte più piccolo di quello dell’atomo.

Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo e quasi tutta la sua massa. Gli elettroni rivoluzionano attorno al suo nucleo su orbite a distanze molto grandi rispetto alle dimensioni del nucleo.

La maggior parte del volume dell’atomo è dunque vuota.

15

1907-1911. IL MODELLO PLANETARIO A NUCLEO DELL’ATOMO DI RUTHERFORD

16

1911. GLI ISOTOPI DI UN ELEMENTO

Il fisico Soddy collaboratore di Rutherford in Canada esegue una ricerca sistematica sui prodotti radioattivi e conia il termine isotopo(stessa posizione nella tavola periodica degli elementi).Si tratta di atomi aventi le stesse caratteristiche chimiche ma differenti caratteristiche fisiche.I nuclei di atomi isotopi hanno lo stesso numero atomico Z e differente numero di massa.

Esempi:idrogeno 1, idrogeno 2, idrogeno3; uranio 233,uranio 235, uranio 238.

17

1909-1913. IL QUANTO DI ELETTRICITA’

In una serie di esperimenti durati quasi 5 anni, Millikan determina con precisione la carica dell’elettrone e quindi dal rapporto carica/massa di Thompson anche la massa.Il risultato fondamentale sta però nel fatto che tutte le cariche osservate sono multiple intere di una carica elementare, l’elettrone, che rappresenta il quanto di elettricità.L’esperimento consiste nel lasciare cadere goccioline di olio elettrizzate in un campo elettrico applicato tra due piastre. Dalla misura della velocità di caduta delle goccioline e del campo elettrico applicato per fermarle, Millikan determina le carche elettriche delle goccioline. Il sottomultiplo più piccolo è la carica dell’elettrone.Dalle misure risulta

Robert Millikan(1868-1953). Premio Nobel per la fisica (1923)Universita’ di Chicago, California Institute of Technology (Pasadena)

19-105966,1 ⋅=e C31-10109389,9 ⋅=m kg

18

1913. IL MODELLO QUANTISTICO DELL’ATOMO

Bohr parte dal modello atomico di Rutherford . Ma pone tre condizioni di contestazione della meccanica classica.-gli elettroni delle orbite dell’atomo non irraggiano;-i valori dei “raggi “ delle orbite sono quantizzati e quindi gli stati di energia sono quantizzati.

Niels Bohr (1885- 1962).Premio Nobel per la fisica (1922).Copenhagen, Manchester,Copenhagen ( Palazzo Calsberg ), Los Alamos, Copenhagen.

021 En

E −=

02anr =

Per l’idrogeno eVE 6,130 −=

19

1913. IL MODELLO QUANTISTICO DELL’ATOMO

-la radiazione viene emessa e assorbita attraverso transizioni tra gli stati di energia quantizzati . Per questo Bohr utilizza il quanto di Planck.

νhEEn =− 0

Caso dell’atomo di idrogeno

Bohr e Fermi durante una pausadel congresso di Roma del 1931

E’ possibile spiegare ora completamente lanatura dei raggi X

Nel 1920 Bohr ipotizza l’esistenza del neutrone

20

1917. SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE : LE REAZIONI NUCLEARI

Rutherford ottiene con un fascio di particelle α la prima reazione nucleare.

HOHeN 11

178

42

147 +=+ ++

ON 178

147 p) ,( α

La trasmutazione della materia

21

1924. IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLE PARTICELLE E IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO.

Louis Victor de Broglie (1892-1987) Premio Nobel per la fisica (1929)Università di Parigi.

Come si era osservato che una radiazione elettromagnetica aveva manifestazioni corpuscolari, cosìsi poteva supporre che una particella potesse avere comportamenti ondulatori. Sulla base delle teorie di Einstein e Planck, de Broglie postula che :

mvh

λ =

dove λ è la lunghezza d’onda associata alla particella di massa m e di velocità v e h è la costante di Planck. Tutte le particelle possono avere un comportamento ondulatorio purchè la loro quantità di moto sia tale che landa sia confrontabile con il passo del reticolo di diffrazione. Possiamo avere diffrazione con gli elettroni (microscopio elettronico) e con neutroni termici ( nei cristalli).

22

1927. IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE

Werner Heisenberg (1901-1976) Premio Nobel per la fisica (1933).Università di Monaco, Copenhagen, Lipsia, Monaco.

Il principio di indeterminazione stabilisce la relazione dei gradi d’ incertezza nella determinazione dei valori di grandezze fisiche tra loro complementari. Per esempio : la posizione e la quantità di moto, l’energia e l’intervallo di tempo. La misurazione di una grandezza fisica perturba il suo stato microscopico.

π2hxp ≥∆⋅∆

23

1930 IPOTESI DELL’ANTIMATERIAPaul Adrian Dirac (1902-1984) Premio Nobel per la fisica con Schrodinger (1933)Da Bristol e Cambridge alle Università USA (Wisconsin, Michigan, Princeton).

Dirac suggerisce l’esistenza di particelle di antimateria : antielettrone (positrone), antiprotone, ….Particelle tra loro antagoniste e simmetriche.Il processo di annichilimento

νhmm =+ −+ e e

Il processo di materializzazione o produzione di coppia di particelle.

Emmh ++= −+ e eν

Nel 1934 Anderson rivelò i positroni nella radiazione cosmica.

24

1928-1930 RICERCHE SULLA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE

Frédéric Joliot (1900-1958) e Iréne Curie (1897-1956). Premi Nobel per la Fisica nel 1935.

I coniugi effettuano una intensa ricerca sulla radioattività artificiale prodotta da reazioni nucleari. Poco dopo la scoperta di Anderson, nel corso dei loro esperimenti sulle reazioni nucleari, osservano l’emissione di positroni

? 137

105 +→+ NB α

ν++→ +eCN 136

137

POSITRONE

NEUTRONE?

25

1932. LA SCOPERTA DEL NEUTRONE

James Chadwick (1891-1974).Manchester, Cambridge,Liverpool.

Scopre che il berillio bombardato con

particelle α emette neutroni.

nCB +→+ 126

94 e α

La camera di misura con cui Chadwick scoprì il neutrone

26

LA CADUTA DEGLI ASSIOMI DI FINE SECOLO XIX

•La natura procede per salti (Planck)•I dati spazio e tempo sono relativi (Einstein)•La materia è energia congelata (Einstein)•L’indivisibile è divisibile (Curie, Rutherford, Bohr)•La materia, l’energia, la carica elettrica sono discontinue (Rutherford, Bohr, Millikan)•L’apparente stabile è in costante movimento e trasformazione (la scuola atomica)•L’instabilità della materia e la radioattività (Becquerel, Curie)•La trasmutazione della materia (Rutherford)•Il dualismo onde-corpuscoli (De Broglie)•L’indeterminismo e la probabilità (Heisenberg)•L’antimateria (Dirac, Anderson, Curie)

ATTENZIONE! Pericolo di crollo. Chiuso temporaneamente per radicali lavori di ricostruzione

(Arnold Sommerfeld)

27

1933 IL TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI β

Enrico Fermi (1901-1954) Premio Nobel per la Fisica (1938)Roma, Columbia University, Chicago University, Los Alamos, Chicago University.

Fermi fu contemporaneamente, caso piuttosto raro, un brillante fisico teorico, uno straordinarioricercatore sperimentale e un grande e tenace realizzatore.

Egli diede infatti rilevanti contributi alla termodinamica, allastatistica, alla teoria del decadimento β,alla fisica atomica e molecolare, alla fisica dei neutroni, allacreazione del primo reattore nucleare, allafisica delle alte energie.Fermi diede la prima interpretazione del decadimento β e ipotizzò il primo modello del nucleo, supponendo che il neutrone e il protone potessero essere instabili.

ν++→ −+ epn

ν++→ ++ enpEnrico Fermi con la futuramoglie Laura nel 1924

28

I CANALI DI DISINTEGRAZIONE DEI NUCLEI

Possiamo ora dare una interpretazione delle modalità di disintegrazione delle speci radioattive naturali

29

I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA

In via Panisperna a Roma, sotto la direzione del prof. Mario Corbino, si era formato un gruppo di eccezionali ricercatori, detti “I ragazzi di via Panisperna”: Edoardo Amaldi, Oscar D’Agostino, Enrico Fermi, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti, Emilio Segrè.

30

1934 I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA: LA FISICA DEI NEUTRONI

La scoperta del neutrone a nome di Chadwick diede a Fermi l’idea di utilizzare i neutroni come proiettili per la produzione di radioattività artificiale.I ragazzi iniziarono una ricerca sistematica sulla radioattività indotta dai neutroni su un gran numero di elementi della tavola periodica.I neutroni erano molto più efficienti, nell’indurre reazioni nucleari, delle particelle alfa impiegate dagli altri ricercatori europei. Ma la grande scoperta fu che i neutroni, rallentati dall’acqua o dalla paraffina (sostanze ad alto contenuto di idrogeno) erano enormemente ancor più efficienti dei neutroni veloci. Per questa scoperta (settembre 1934) e per la sua interpretazione, fu assegnato a Fermi il premio Nobel.

31

1938 LA SCOPERTA DELLA FISSIONE NUCLEARE

Per un soffio i ragazzi di Panisperna mancarono la scoperta della fissione del nucleo. L’uranio sottoposto a bombardamento di neutroni, dava origine a una complessa situazione di radioattività che fu erroneamente interpretata come dovuta a elementi transuranici.

Di fatto si trattava, come fu poi dimostrato, da Otto Hahn e Kurtz Strassmann (dicembre 1938), attraverso la separazione chimica, della scissione del nucleo di uranio in due frammenti

Otto Hahn e Lise Meitner

Fissione spontanea di un nucleo

32

10 dicembre 1938

Dopo aver ricevuto il premio Nobel Fermi emigra con lafamiglia negli Stati Uniti.

La famiglia Fermi all’arrivo a New York

33

LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO 1939-1945

Alla Columbia University Fermi intensifica le sue ricerchesulla fissione nucleare che lo condurranno a intuire lapossibilità di produrre con i neutroni e l’uranio una reazionea catena. Dopo l’attacco giapponese di Pearl Harbour (7 dicembre 1941)il governo americano decide di avviare un progetto per la costruzionedi una bomba a fissione nucleare chiamato Progetto Manhattan. Fermi si trasferisce a Chicago al Metallurgical Laboratory dell’universitàdi Chicago dove realizza la prima pila nucleare a fissione (2 dicembre 1942)

34

LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO 1939-1945

La prima pila nucleare: 2 dicembre 1942

35

1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN

Il successo di Fermi nella realizzazione della pila nucleare galvanizzòi ricercatori del progetto Manhattan.Fu subito chiaro che era necessario ottenere del materiale fissile in abbondanza: uranio 235 o plutonio 239.Furono varati pertanto differenti piani per l’arricchimento dell’uranio eper la produzione di plutonio.Per motivi di segretezza furono realizzati, in zone lontane dai centri abitatie poco accessibili, centri di attività orientati a diversi scopi: il centro diHanford nello Stato di Washington al confine con l’Oregon per la produzionedi plutonio mediante reattori nucleari di potenza, il centro di Oak Ridge nelTennessee per l’arricchimento dell’uranio, il centro di Los Alamos nel New Mexicoper la realizzazione della bomba.Fermi fu incaricato del progetto plutonio e per un certo periodo fece la spola traChicago e Hanford

Una abitazione di Los Alamos durante il progetto Manhattan

36

1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN

Dopo aver avviato i reattori di Hanford Fermi si trasferisce a Los Alamos(agosto 1944) dove partecipa alla realizzazione della bomba.L’esperimento dimostrativo ha luogo nel deserto di Alamogordo nel NewMexico (16 luglio 1945)

37

1942 – 1945 IL PROGETTO MANHATTAN

In poco meno di un mese vengono costruite 2 bombe che i militari decidonodi sganciare su Hiroshima (6 agosto 1945) e Nagasaki (9 agosto 1945).Fu la fine della guerra con il Giappone e l’inizio della guerra fredda.