La particella di zio – parte prima

Gregory (detective di Scotland Yard): “C’è qualcos’altro su cui vuole attirare la mia attenzione?”

 Holmes: “Sul curioso incidente del cane, quella notte”.

 Gregory: “Ma il cane non ha fatto nulla quella notte”.

 Holmes: “Questo appunto è il curioso incidente”

“Barbaglio d’argento”, Sir Arthur Conan Doyle, 1892

 

Come spesso accade quando si scrive, ben difficile risulta descrivere ciò che non è visibile agli occhi. Ma è anche vero che non tutto ciò che non è visibile agli occhi dell’uomo deve essere preso come qualcosa di inesistente.

Pensate se doveste descrivere il wifi a uno che non sa cosa sia neanche un computer. O un atomo a un lettore di questo blog (scherzo, l’ho già fatto e sono sicuro che tutti i lettori lo abbiano ben compreso nonostante le mie pessime spiegazioni).

Immagino quanto sia stato difficile per certi scienziati comprendere (o far comprendere, dipende da quale lato del tavolo fossero) la struttura atomica. Soprattutto dopo che Marx Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947), Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962), Albert Einstein (1879 – 1955), Peter Debye (1884 – 1966) e Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (1868 – 1951) ebbero le idee e le intuizioni che portarono loro e i loro discepoli ad elaborare la teoria della meccanica quantistica.

I fondatori della teoria quantistica sostanzialmente costrinsero gli scienziati a dividere il mondo in due parti: al di sopra, vi era la matematica classica con la quale era possibile descrivere i processi fisici empiricamente osservabili; sotto, vi era la matematica quantistica che descriveva un regno completamente al di fuori del determinismo fisico.

In generale, si comprese che lo stato evoluto del sistema “di sotto“ non poteva essere abbinato a nessuna descrizione classica delle proprietà visibili all’osservatore e gli scienziati avrebbero dovuto scegliere particolari proprietà del sistema quantistico, sviluppando un modello per vedere i suoi effetti sui processi fisici “di sopra”.

Ora, se è difficile per uno che lo fa di mestiere, pensate quanto lo sia per uno come me, che ha nella fisica delle particelle un interesse poco più che hobbistico! Ma chi mi conosce lo sa, quando mi intestardisco su una cosa, in genere mi piace portarla a termine.

È di pochi giorni fa la notizia della scoperta al Cern della particella Xi: inseguita da decenni, potrà aiutare a studiare la ‘colla’ che tiene unita la materia, ossia per capire una delle quattro forze fondamentali della natura: la forza forte. La scoperta, annunciata nella conferenza della Società Europea di Fisica in corso a Venezia e in via di pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters, è avvenuta grazie all’acceleratore più grande del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc).

Ma facciamo un passo indietro.

I greci sapevano che la materia non era divisibile all’infinito. Ipotizzarono che, dividendo un pezzo di materia in pezzi sempre più piccoli, alla fine ci fossero dei frammenti che non avrebbero potuto essere divisi e chiamarono questi frammenti atomi (da ἄτομος – àtomos -, indivisibile, unione di ἄ – a – [alfa privativo] + τέμνειν – témnein – [tagliare]).

Fu però, per vari motivi, necessario arrivare al 1800 perché la teoria atomica fosse quanto meno presa in considerazione (sporadicamente, nella storia, altri l’avevano esaltata, ma erano stati, al loro tempo, bellamente ignorati).

Cerchiamo di capire che cosa sono gli atomi e quali sono le particelle che li compongono.

Tutto ebbe inizio con gli studi sull’elettricità. Michael Faraday, fisico e chimico britannico, tentò tutti gli esperimenti con l’elettricità che gli vennero in mente, tra cui uno che consisteva nel far passare una scarica elettrica nel vuoto. Non riuscì, però, a ottenere un vuoto abbastanza spinto per i suoi scopi. Nel 1854, un maestro vetraio tedesco, Heinrich Geissler, costruì un tubo di vetro in cui erano saldati degli elettrodi metallici e in cui, con una pompa da lui stesso inventata, era possibile raggiungere un vuoto molto spinto. Quando gli sperimentatori riuscirono a ottenere scariche elettriche nel “tubo di Geissler”, notarono che si manifestava una luminescenza verde sulla parete del tubo opposta all’elettrodo negativo. Nel 1876 il fisico tedesco Eugen Goldstein giunse alla conclusione che tale luminescenza verde dovesse dipendere dall’urto sul vetro di una qualche radiazione originata nell’elettrodo negativo, che Faraday aveva denominato “catodo”.

Goldstein pertanto chiamò queste radiazioni “raggi catodici”. Si trattava di una forma di radiazione elettromagnetica? Così riteneva Goldstein, ma il fisico inglese William Crookes e alcuni altri sostennero che si trattava piuttosto di un fascio di qualche tipo di particelle. Crookes progettò alcune versioni migliorate del tubo di Geissler (chiamate poi “tubi di Crookes”), con cui poté dimostrare che i raggi venivano deflessi dall’azione di un magnete. Ciò faceva pensare che fossero costituiti di particelle elettricamente cariche.

Nel 1897, il fisico Joseph John Thomson chiarì la questione al di là di ogni dubbio, dimostrando che i raggi catodici potevano essere deviati anche dalle cariche elettriche. Cosa erano, dunque, queste “particelle” catodiche? Le uniche particelle aventi carica negativa note a quell’epoca erano gli ioni negativi. Gli esperimenti mostrarono però che le particelle che costituivano i raggi catodici non potevano essere ioni, perché subivano una così forte deviazione da parte del campo magnetico da far pensare che avessero una carica elettrica inconcepibilmente alta, oppure che fossero particelle estremamente leggere, con una massa inferiore a un millesimo di quella dell’atomo di idrogeno.

Risultò che quest’ultima interpretazione si adattava meglio ai fatti. I fisici avevano già avanzato l’ipotesi che la corrente elettrica fosse trasportata da particelle, e così queste particelle catodiche furono accettate come le costituenti ultime dell’elettricità. Vennero chiamate “elettroni”, nome suggerito nel 1891 dal fisico irlandese George Johnstone Stoney. In seguito si stabilì che l’elettrone aveva una massa pari a 1 su 1837 di quella dell’atomo di idrogeno (Thomson ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1906 per la scoperta dell’elettrone).

La scoperta dell’elettrone fece pensare subito che esso potesse essere una particella costitutiva dell’atomo: gli atomi non erano quelle unità ultime e indivisibili della materia che i greci avevano ipotizzato.

Nel 1886 sempre Goldstein, usando un tubo a raggi catodici con un catodo perforato, aveva scoperto una nuova radiazione che passava attraverso i fori del catodo in direzione opposta ai raggi catodici, e l’aveva chiamata “Kanalstrahlen” (raggi canale). Fu proprio questa radiazione, nel 1902, a dare l’opportunità di osservare per la prima volta l’effetto Doppler-Fizeau in una sorgente luminosa terrestre. Il fisico tedesco Johannes Stark collocò uno spettroscopio in posizione tale che i raggi si dirigessero verso di esso, e rese così osservabile lo spostamento verso il violetto. Per questa ricerca gli fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1919.

Dato che i raggi canale si muovono in direzione opposta a quella dei raggi catodici, che hanno carica negativa, come abbiamo visto, Thomson propose di chiamarli “raggi positivi”. Risultò che le particelle che costituivano i raggi positivi attraversavano facilmente la materia, e pertanto si suppose che il loro volume fosse molto inferiore a quello degli atomi o degli ioni ordinari. Misurando la deviazione subita da tali particelle in un campo magnetico, si giunse alla conclusione che la più piccola di esse aveva carica e massa uguali a quelle dello ione idrogeno, nell’ipotesi che quest’ultimo trasporti la più piccola quantità possibile di carica positiva; se ne dedusse che la particella che costituiva i raggi positivi fosse la particella positiva fondamentale, quindi l’opposto dell’elettrone. Rutherford la denominò ”protone” (dalla parola greca che significa «primo»).

Protone ed elettrone hanno effettivamente cariche elettriche uguali, benché di segno opposto, tuttavia la massa del protone è 1836 volte maggiore di quella dell’elettrone. A questo punto appariva verosimile che un atomo fosse composto di protoni ed elettroni, le cui cariche si controbilanciavano; sembrava anche probabile che i protoni stessero nell’interno dell’atomo, perché non possono essere facilmente staccati da quest’ultimo, com’è invece possibile per gli elettroni. Ora, però, l’interrogativo fondamentale riguardava la struttura formata da queste particelle costitutive dell’atomo.

Fu lo stesso Rutherford a trovare il bandolo della matassa. Tra il 1906 e il 1908 egli seguitò a bombardare con le particelle alfa sottili lamine di metallo (d’oro o di platino, per esempio) per studiarne gli atomi: gran parte dei proiettili attraversavano la lamina senza essere deviati (così come delle pallottole possono passare tra le foglie di un albero indisturbate), ma non tutti. Rutherford aveva collocato dietro al metallo una lastra fotografica che fungeva da bersaglio, e trovò, intorno al suo centro, un’inaspettata rosa di colpi che si erano dispersi; alcune particelle, inoltre, erano rimbalzate all’indietro! Era come se alcune pallottole non fossero semplicemente passate tra le foglie, ma fossero rimbalzate su qualcosa di più solido.

Rutherford giunse alla conclusione che esse avevano colpito qualcosa di simile a un nucleo compatto, che occupava solo una parte molto piccola dell’atomo. A quanto sembrava, la maggior parte del volume dell’atomo doveva essere occupata dagli elettroni. Le particelle alfa “sparate” contro la lamina metallica incontravano perlopiù soltanto elettroni e attraversavano questo velo di particelle leggere senza venirne deviate; ogni tanto, però, poteva accadere che una particella alfa colpisse il nucleo più denso dell’atomo, e venisse deflessa.

Il fatto che ciò accadesse molto raramente mostrava quanto dovessero essere minuscoli i nuclei atomici, visto che una particella che attraversa un foglio di metallo deve incontrare parecchie migliaia di atomi.

Era logico supporre che questo nucleo più compatto fosse fatto di protoni. Rutherford descrisse i protoni come una piccola folla addensata in un minuscolo “nucleo atomico” al centro dell’atomo. In seguito è stato dimostrato che il diametro del nucleo è poco più di 1 su 100 mila di quello dell’atomo.

Questo, dunque, è il modello fondamentale dell’atomo: un nucleo carico positivamente, che occupa uno spazio piccolissimo ma contiene quasi tutta la massa dell’atomo, circondato da una “schiuma” di elettroni che occupa quasi tutto il volume dell’atomo, ma praticamente non contribuisce alla sua massa. Per questa ricerca straordinariamente pionieristica sulla natura ultima della materia Rutherford ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1908.

Nel 1930, due fisici tedeschi, Walther Bothe e Herbert Becker, riferirono di aver causato l’emissione da parte del nucleo di una nuova radiazione misteriosa, eccezionalmente penetrante. Tale radiazione era stata ottenuta bombardando atomi di berillio con particelle alfa. L’anno prima, Bothe aveva ideato dei metodi per usare due o più contatori congiuntamente nei “conteggi a coincidenza”. Grazie a essi si potevano individuare eventi nucleari che avvenivano in un milionesimo di secondo. Per questo e altri contributi egli ebbe il premio Nobel per la fisica nel 1954.

Due anni dopo la scoperta di Bothe e Becker, una scoperta analoga fu fatta dai fisici francesi Frédéric e Irène Joliot-Curie. (Irène era la figlia di Pierre e Marie Curie, e Joliot, sposandola, aveva aggiunto al proprio il cognome Curie.) Essi avevano usato la radiazione scoperta di recente, emessa dal berillio, per bombardare la paraffina, una sostanza simile alla cera, composta di idrogeno e carbonio. La radiazione espelleva protoni dalla paraffina. Il fisico inglese James Chadwick pensò subito che la radiazione fosse costituita di particelle. Per determinare le loro dimensioni, bombardò degli atomi di boro con tali particelle e calcolò, in base all’aumento della massa del nuovo nucleo formatosi, che la massa della particella aggiunta al boro sarebbe dovuta essere circa uguale a quella del protone. Eppure tale particella non era osservabile in una camera di Wilson. Chadwick giunse alla conclusione che la particella fosse priva di carica elettrica; infatti in tal caso non avrebbe prodotto ionizzazione e per questa ragione non si sarebbe verificata la condensazione delle goccioline di acqua.

Così Chadwick stabilì che si era in presenza di una particella completamente nuova, che aveva circa la stessa massa del protone, ma era priva di carica, ossia elettricamente neutra. Da tempo era stata presa in considerazione la possibilità che esistesse una simile particella, per la quale era stato anche proposto un nome: “neutrone”. Chadwick accettò tale nome. Per la scoperta del neutrone gli fu conferito il premio Nobel per la fisica nel 1935.

Questi tre, protoni, neutroni ed elettroni, sono gli elementi costituenti l’atomo. Ma possiamo andare più a fondo? Certamente, e la prossima volta vedremo la famiglia delle particelle e capiremo perché la scoperta della particella Xi è così importante.

6 pensieri su “La particella di zio – parte prima

  1. Devo dire che questo ramo della scienza, quella che parla di atomi, da un lato mi affascina (quante lezioni studiate insieme a mio figlio quest’anno), dall’altro mi fa capire che in realtà… ci capisco poco.
    In linea di massimo capisco le sperimentazioni e come è sorto il modello attuale dell’atomo, ma quando si approfondisce un po’ resto abbastanza con lo suardo vacuo.
    Ciao!

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