arturo russo dipartimento di fisica e tecnologie relative università di palermo la scoperta del...
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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 Blackett
Arrivato 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 KapitsaKapitsa
Responsabile 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 = 12
Carica: Z = 612 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 19201920
Strutture 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 errata
Nel 1924 Rutherford e Chadwick mostrarono che la fantomatica particella (3p,1e) non esisteva
Nel 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 scoperta
17 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 Society
10 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