I pionieri della fisica atomica e nucleare ( ) : 50 anni che sconvolsero la fisica.

Transcript

1 LE GRANDI RIVOLUZIONI DELLA FISICA MODERNA I pionieri della fisica atomica e nucleare ( ) : 50 anni che sconvolsero la fisica. Franco Tonolini Presidente 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 1

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 dei tubi 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 2

3 DICEMBRE LA SCOPERTA DEI RAGGI X Wilhelm Rötgen( ).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 3

4 La prima radiografia X di corpo umano (mosaico), Agosto 1896 Radiografia della mano, dicembre 1895 Radiografia del fucile da caccia di Rötgen, dicembre

5 FEBBRAIO LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA NATURALE Henri Becquerel ( ). 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 5

6 1897. SCOPERTA DELL ELETTRONE Joseph John Thomson( ). 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 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 6

7 1898. SEPARAZIONE DI ELEMENTI RADIOATTIVI DAL MINERALE URANIO Maria Sklodowska Curie ( ) e Pierre Curie( ). 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 7

8 8

9 1898. SCOPERTA DEI RAGGI BETA E ALFA Ernest Rutherford( ). 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 9

10 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. N = λn N( t) = N e 0,693 T dove T = 0,693 λ Andamento del decadimento radioattivo nel tempo 10

11 1900.L ORIGINE DELLA MECCANICA QUANTISTICA: IL QUANTO DI AZIONE Max Planck( ). Monaco,Berlino,Gottinga. 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: E = hν con h= 6,63j s, che stabilisce una relazione tra energia e frequenza di una radiazione. 11

12 1903. IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON Max Planck( ). Monaco,Berlino,Gottinga. 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?!! 12

13 LE FORMULE CHE CAMBIARONO IL MONDO Albert Einstein( ). Premio Nobel per la fisica per l interpretazione dell effetto fotoelettrico ( ). 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 cioè come un fascio di fotoni. 2 E = mc m = m 0 v 1 c 2 2 All ufficio brevetti A Princeton 13

14 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 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. 14

15 IL MODELLO PLANETARIO A NUCLEO DELL ATOMO DI RUTHERFORD 15

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

17 IL QUANTO DI ELETTRICITA Robert Millikan( ). Premio Nobel per la fisica (1923) Universita di Chicago, California Institute of Technology (Pasadena) 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 e =1, m = 9, C -31 kg 17

18 1913. IL MODELLO QUANTISTICO DELL ATOMO Niels Bohr ( ).Premio Nobel per la fisica (1922). Copenhagen, Manchester,Copenhagen ( Palazzo Calsberg ), Los Alamos, Copenhagen. 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. r = n 2 a0 E 1 = 2 E n 0 Per l idrogeno E0 = 13, 6eV 18

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. E n E 0 = hν Bohr e Fermi durante una pausa del congresso di Roma del 1931 E possibile spiegare ora completamente la natura dei raggi X Nel 1920 Bohr ipotizza l esistenza del neutrone Caso dell atomo di idrogeno 19

20 1917. SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA ARTIFICIALE : LE REAZIONI NUCLEARI Rutherford ottiene con un fascio di particelle α la prima reazione nucleare N + 2He = 8O+ 1 1 H 7 N (α, p) O La trasmutazione della materia 20

21 1924. IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLE PARTICELLE E IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO. Louis Victor de Broglie ( ) Premio Nobel per la fisica (1929) Università di Parigi. Come si era osservato che una radiazione elettromagnetica aveva manifestazioni corpuscolari, così si poteva supporre che una particella potesse avere comportamenti ondulatori. Sulla base delle teorie di Einstein e Planck, de Broglie postula che : λ = h mv 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). 21

22 1927. IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Werner Heisenberg ( ) 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. p x h 2π 22

23 1930 IPOTESI DELL ANTIMATERIA Paul Adrian Dirac ( ) 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 m + + m = hν e e Il processo di materializzazione o produzione di coppia di particelle. h ν = m + + m + e e E Nel 1934 Anderson rivelò i positroni nella radiazione cosmica. 23

24 RICERCHE SULLA RADIOATTIVITA ARTIFICIALE Frédéric Joliot ( ) e Iréne Curie ( ). Premi Nobel per la Fisica nel 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 B + α 7 N +? NEUTRONE? 13 7 N 13 6 C + + e +ν POSITRONE 24

25 1932. LA SCOPERTA DEL NEUTRONE James Chadwick ( ). Manchester, Cambridge,Liverpool. Scopre che il berillio bombardato con particelle α emette neutroni B e + α C + n La camera di misura con cui Chadwick scoprì il neutrone 25

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) 26

27 1933 IL TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI β Enrico Fermi ( ) 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 straordinario ricercatore sperimentale e un grande e tenace realizzatore. Egli diede infatti rilevanti contributi alla termodinamica, alla statistica, alla teoria del decadimento β, alla fisica atomica e molecolare, alla fisica dei neutroni, alla creazione del primo reattore nucleare, alla fisica 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. n p + p + + e n + e + +ν +ν Enrico Fermi con la futura moglie Laura nel

28 I CANALI DI DISINTEGRAZIONE DEI NUCLEI Possiamo ora dare una interpretazione delle modalità di disintegrazione delle speci radioattive naturali 28

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. 29

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. 30

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. Otto Hahn e Lise Meitner 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 Fissione spontanea di un nucleo 31

32 10 dicembre 1938 Dopo aver ricevuto il premio Nobel Fermi emigra con la famiglia negli Stati Uniti. La famiglia Fermi all arrivo a New York 32

33 LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO Alla Columbia University Fermi intensifica le sue ricerche sulla fissione nucleare che lo condurranno a intuire la possibilità di produrre con i neutroni e l uranio una reazione a catena. Dopo l attacco giapponese di Pearl Harbour (7 dicembre 1941) il governo americano decide di avviare un progetto per la costruzione di una bomba a fissione nucleare chiamato Progetto Manhattan. Fermi si trasferisce a Chicago al Metallurgical Laboratory dell università di Chicago dove realizza la prima pila nucleare a fissione (2 dicembre 1942) 33

34 LE RICERCHE DI ENRICO FERMI IN AMERICA NEL PERIODO La prima pila nucleare: 2 dicembre

35 IL PROGETTO MANHATTAN Il successo di Fermi nella realizzazione della pila nucleare galvanizzò i 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 e per la produzione di plutonio. Per motivi di segretezza furono realizzati, in zone lontane dai centri abitati e poco accessibili, centri di attività orientati a diversi scopi: il centro di Hanford nello Stato di Washington al confine con l Oregon per la produzione di plutonio mediante reattori nucleari di potenza, il centro di Oak Ridge nel Tennessee per l arricchimento dell uranio, il centro di Los Alamos nel New Mexico per la realizzazione della bomba. Fermi fu incaricato del progetto plutonio e per un certo periodo fece la spola tra Chicago e Hanford Una abitazione di Los Alamos durante il progetto Manhattan 35

36 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 New Mexico (16 luglio 1945) 36

37 IL PROGETTO MANHATTAN In poco meno di un mese vengono costruite 2 bombe che i militari decidono di 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. 37