La rivoluzione della fisica nucleare: dalla scoperta del neutrone all'energia

La scoperta del neutrone

Nel 1921, Ernest Rutherford, divenuto capo del laboratorio di fisica nucleare, fu il supervisore del dottorato di ricerca del giovane fisico inglese James Chadwick, che poi volle come suo assistente.

La ricerca di Chadwick si focalizzava sulla radioattività. Nel 1919 Rutherford aveva scoperto il protone, una particella carica positivamente, dentro il nucleo dell'atomo, ma si era reso conto che non sembrava essere l'unica particella del nucleo.

Ipotesi e conferme

Quando cominciarono a studiare la disintegrazione atomica, osservarono che il numero atomico, cioè il numero dei protoni nel nucleo, equivalenti alla carica positiva dell'atomo, erano inferiori alla massa atomica (massa media dell'atomo). Per esempio, un atomo di elio ha massa atomica di 4, ma un numero atomico (o carica positiva) di 2. Dato che gli elettroni non hanno quasi massa, ci doveva essere qualcos'altro nel nucleo che andava ad addizionarsi alla massa. Una delle spiegazioni correnti sosteneva che vi erano elettroni e protoni in numero superiore anche nel nucleo – i protoni contribuivano ancora con la loro massa ma la loro carica positiva era cancellata dagli elettroni caricati negativamente. Così nell'esempio dell'elio, ci potevano essere 4 protoni e due elettroni in un nucleo a produrre una massa di 4 e una carica di 2. Rutherford ipotizzò la presenza, nel nucleo, di una particella con massa ma senza carica. La chiamò neutrone e la immaginò come un elettrone e un protone appaiati, senza però avere nessuna prova che attestasse la propria teoria.

Esperimenti e risultati

Chadwick ritenne questo pensiero a lungo nella sua mente mentre lavorava ad altre cose. Era attirato da altri esperimenti effettuati in Europa, soprattutto da quelli di Frederick e Irene Joliot-Curie che usavano un particolare metodo per seguire le particelle radioattive. Chadwick ripeté i loro esperimenti ma con l'intento di cercare una particella subatomica neutra – una con la stessa massa del protone, ma priva di carica. I suoi esperimenti ebbero successo; infatti, fu capace di dimostrare che il neutrone esisteva e che la sua massa era circa lo 0.1 % più di quella del protone. Pubblicò i suoi risultati in un primo lavoro intitolato Possible existence of neutron. Nel 1935 Chadwick ricevette il premio Nobel.

Implicazioni della scoperta

Le sue scoperte furono velocemente accettate e approfondite; Werner Heisenberg mostrò che il neutrone poteva non essere un appaiamento di protone-elettrone ma doveva essere un'unica particella – il terzo componente dell'atomo. Questa nuova idea cambiò drammaticamente l'immagine dell'atomo e accelerò le scoperte della fisica atomica. I fisici presto capirono che il neutrone era un proiettile ideale per bombardare altri nuclei. A differenza delle particelle cariche non veniva espulso da particelle similmente cariche e poteva colpire direttamente dentro il nucleo. A lungo termine, il bombardamento del neutrone fu applicato all'atomo di uranio, con lo “splitting”, cioè la divisione, del suo nucleo, operazione che rilasciava un enorme quantitativo di energia, come predetto dalla equazione di Einstein: E= mc².