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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
radioattività artificiale. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti La radioattività artificiale fu scoperta dai coniugi Irene (1897–1956) e Frederic (1900–1958) Joliot-Curie. Il 15 gennaio 1934, la loro nota fu presentata da J. Perrin a una riunione dell'Accademia delle scienze di Parigi. Irene e Federico sono riusciti a stabilire che dopo essere stati bombardati da particelle alfa, alcuni elementi leggeri - magnesio, boro, alluminio - emettono positroni. Inoltre, hanno cercato di stabilire il meccanismo di questa emissione, che differiva nel carattere da tutti i casi di trasformazioni nucleari conosciuti a quel tempo. Gli scienziati hanno posizionato una fonte di particelle alfa (preparazione di polonio) a una distanza di un millimetro dal foglio di alluminio. L'hanno poi esposta alle radiazioni per circa dieci minuti. Il contatore Geiger-Muller ha mostrato che la lamina emette radiazioni la cui intensità diminuisce esponenzialmente con il tempo con un tempo di dimezzamento di 3 minuti e 15 secondi. Negli esperimenti con boro e magnesio, le emivite erano rispettivamente di 14 e 2,5 minuti. Ma negli esperimenti con idrogeno, litio, carbonio, berillio, azoto, ossigeno, fluoro, sodio, calcio, nichel e argento, non sono stati trovati tali fenomeni. Tuttavia, i Joliot-Curies conclusero che la radiazione causata dal bombardamento di atomi di alluminio, magnesio e boro non poteva essere spiegata dalla presenza di alcuna impurità nella preparazione del polonio. "Un'analisi della radiazione di boro e alluminio in una camera a nebbia ha mostrato", scrivono K. Manolov e V. Tyutyunnik nel loro libro "Biografia dell'atomo", che si tratta di un flusso di positroni. È diventato chiaro che gli scienziati si stavano occupando con un nuovo fenomeno significativamente diverso da tutti i casi noti di trasformazioni nucleari. Le reazioni nucleari fino a quel momento note erano di natura esplosiva, mentre l'emissione di elettroni positivi da parte di alcuni elementi luminosi sottoposti ad irraggiamento con raggi alfa di polonio continua per qualche tempo più o meno lungo dopo la rimozione della sorgente dei raggi alfa, ad esempio il boro, questa volta raggiunge la mezz'ora. Il Joliot-Curies è giunto alla conclusione che qui si tratta della radioattività molto reale, manifestata nell'emissione di un positrone. Erano necessarie nuove prove e, soprattutto, era necessario isolare il corrispondente isotopo radioattivo. Basandosi sulla ricerca Rutherford e Cockcroft, Irene e Frédéric Joliot-Curie sono stati in grado di stabilire cosa succede agli atomi di alluminio quando vengono bombardati con particelle di polonio alfa. Innanzitutto, le particelle alfa vengono catturate dal nucleo di un atomo di alluminio, la cui carica positiva aumenta di due unità, a seguito della quale si trasforma nel nucleo di un atomo di fosforo radioattivo, chiamato dagli scienziati radiofosforo. Questo processo è accompagnato dall'emissione di un neutrone, motivo per cui la massa dell'isotopo risultante aumenta non di quattro, ma di tre unità e diventa uguale a 30. L'isotopo stabile del fosforo ha una massa di 31. "Radiofosforo" con una carica di 15 e una massa di 30 decade con un'emivita di 3 minuti e 15 secondi, emettendo un positrone e diventando un isotopo stabile del silicio. L'unica e indiscutibile evidenza che l'alluminio si trasforma in fosforo e poi in silicio con una carica di 14 e una massa di 30 non poteva che essere l'isolamento di questi elementi e la loro identificazione mediante le loro caratteristiche reazioni chimiche qualitative. Per qualsiasi chimico che lavorasse con composti stabili era un compito facile, ma per Irene e Frederick la situazione era completamente diversa: gli atomi di fosforo che ottenevano duravano poco più di tre minuti. I chimici hanno molti metodi per rilevare questo elemento, ma tutti richiedono lunghe determinazioni. Pertanto, il parere dei chimici è stato unanime: è impossibile identificare il fosforo in così poco tempo. Tuttavia, i Joliot-Curies non hanno riconosciuto la parola "impossibile". E sebbene questo compito "insolubile" richiedesse superlavoro, tensione, destrezza virtuosa e pazienza infinita, è stato risolto. Nonostante la resa estremamente bassa dei prodotti delle trasformazioni nucleari e la massa assolutamente trascurabile della sostanza che ha subito la trasformazione - solo pochi milioni di atomi, è stato possibile stabilire le proprietà chimiche del fosforo radioattivo risultante. La scoperta della radioattività artificiale fu immediatamente considerata una delle più grandi scoperte del secolo. Prima di questo, la radioattività inerente ad alcuni elementi non poteva essere causata, distrutta o in qualche modo modificata dall'uomo. I Joliot-Curies furono i primi a provocare artificialmente la radioattività ottenendo nuovi isotopi radioattivi. Gli scienziati hanno previsto il grande significato teorico di questa scoperta e la possibilità delle sue applicazioni pratiche nel campo della biologia e della medicina. L'anno successivo, gli scopritori della radioattività artificiale, Irene e Frederic Joliot-Curie, ricevettero il premio Nobel per la chimica. Continuando questi studi, lo scienziato italiano Fermi ha dimostrato che il bombardamento di neutroni induce radioattività artificiale nei metalli pesanti. Enrico Fermi (1901–1954) è nato a Roma. Già da bambino Enrico dimostrò grande attitudine per la matematica e la fisica. La sua eccezionale conoscenza in queste scienze, acquisita principalmente grazie all'autodidattica, gli permise di ricevere una borsa di studio nel 1918 e di accedere alla Scuola Normale Superiore dell'Università di Pisa. Successivamente Enrico ricevette un posto temporaneo come insegnante di matematica per chimici presso l'Università di Roma. Nel 1923 partì per un viaggio d'affari in Germania, a Gottinga, a Massimo Nato. Al ritorno in Italia, Fermi lavorò all'Università di Firenze dal gennaio 1925 fino all'autunno del 1926. Qui riceve il suo primo grado di "professore associato libero" e, soprattutto, crea il suo famoso lavoro sulla statistica quantistica. Nel dicembre 1926 assunse l'incarico di professore nella neo istituita cattedra di fisica teorica all'Università di Roma. Qui organizzò un'équipe di giovani fisici: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo e altri, che costituirono la scuola italiana di fisica moderna. Quando nel 1927 fu istituita la prima cattedra di fisica teorica all'Università di Roma, Fermi, che riuscì a guadagnare prestigio internazionale, ne fu eletto capo. Qui nella capitale d'Italia Fermi radunò intorno a sé diversi eminenti scienziati e fondò la prima scuola di fisica moderna del paese. Negli ambienti scientifici internazionali iniziò a chiamarsi Gruppo Fermi. Due anni dopo, Fermi fu nominato da Benito Mussolini alla carica onoraria di membro della neonata Reale Accademia d'Italia. Nel 1938 Fermi ricevette il Premio Nobel per la Fisica. La decisione del Comitato Nobel affermava che il premio era stato assegnato a Fermi "per la prova dell'esistenza di nuovi elementi radioattivi ottenuti per irraggiamento con neutroni, e per la scoperta di reazioni nucleari causate da neutroni lenti a questo associati". Enrico Fermi venne a conoscenza della radioattività artificiale immediatamente, nella primavera del 1934, non appena i Joliot-Curies ne pubblicarono i risultati. Fermi decise di ripetere gli esperimenti di Joliot-Curie, ma andò in un modo completamente diverso, usando i neutroni come particelle di bombardamento. In seguito, Fermi spiegò le ragioni della sfiducia nei confronti dei neutroni da parte di altri fisici e la sua ipotesi fortunata: "L'uso dei neutroni come particelle da bombardamento soffre di uno svantaggio: il numero di neutroni che possono essere praticamente smaltiti è incommensurabilmente inferiore al numero di particelle alfa ottenute da sorgenti radioattive, o al numero di protoni e deuteroni accelerati in dispositivi ad alta tensione Ma questo svantaggio è parzialmente compensato dalla maggiore efficienza dei neutroni nel condurre "trasformazioni nucleari artificiali". I neutroni hanno anche un altro vantaggio. Sono altamente capaci di provocare trasformazioni nucleari. Il numero di elementi che possono essere attivati dai neutroni supera di gran lunga il numero di elementi che possono essere attivati da altri tipi di particelle." Nella primavera del 1934 Fermi iniziò a bombardare gli elementi con neutroni. I "cannoni a neutroni" di Fermi erano tubicini lunghi pochi centimetri. Sono stati riempiti con una "miscela" di polvere di berillio finemente dispersa ed emanazione di radio. Ecco come Fermi ha descritto una di queste sorgenti di neutroni: "Era un tubo di vetro di soli 1,5 cm di dimensione... in cui c'erano dei grani di berillio; prima di saldare il tubo, era necessario introdurre una certa quantità di emanazione di radio in esso. Le particelle alfa emesse dal radon si scontrano in gran numero con atomi di berillio e danno neutroni... L'esperimento viene condotto come segue. Nelle immediate vicinanze della sorgente di neutroni viene posta una lastra di alluminio o ferro, o in generale dell'elemento che si vuole studiare, e lasciata per diversi minuti, ore o giorni (a seconda del caso specifico). I neutroni emessi dalla sorgente entrano in collisione con i nuclei della materia. In questo caso avvengono molte reazioni nucleari di vario tipo…” Come è apparso tutto questo in pratica? Il campione in esame è stato sottoposto a un'intensa esposizione all'irradiazione di neutroni per un tempo determinato, quindi uno dei dipendenti di Fermi ha letteralmente portato il campione a un contatore Geiger-Muller situato in un altro laboratorio e ha registrato gli impulsi del contatore. Dopotutto, molti nuovi radioisotopi artificiali avevano vita breve. Nella prima comunicazione, datata 25 marzo 1934, Fermi riferì che bombardando alluminio e fluoro ottenne isotopi di sodio e azoto che emettono elettroni (e non positroni, come in Joliot-Curie). Il metodo del bombardamento di neutroni si è rivelato molto efficace e Fermi ha scritto che questa elevata efficienza di fissione "compensa completamente la debolezza delle sorgenti di neutroni esistenti rispetto alle sorgenti di particelle alfa e protoni". In effetti, molto era noto. I neutroni colpiscono il nucleo dell'atomo sgusciato, trasformandolo in un isotopo instabile, che decade spontaneamente e si irradia. L'ignoto era nascosto in questa radiazione: alcuni degli isotopi ottenuti artificialmente emettevano raggi beta, altri emettevano raggi gamma e altri ancora emettevano particelle alfa. Ogni giorno aumentava il numero di isotopi radioattivi prodotti artificialmente. Era necessario comprendere ogni nuova reazione nucleare per comprendere le complesse trasformazioni degli atomi, per ogni reazione era necessario stabilire la natura della radiazione, perché solo conoscendola si può immaginare lo schema del decadimento radioattivo e prevedere il elemento che sarà il risultato finale. Poi venne il turno dei chimici. Dovevano identificare gli atomi risultanti. Anche questo ha richiesto tempo. Con la sua "pistola a neutroni" Fermi bombardò fluoro, alluminio, silicio, fosforo, cloro, ferro, cobalto, argento e iodio. Tutti questi elementi sono stati attivati e in molti casi Fermi potrebbe indicare la natura chimica dell'elemento radioattivo risultante. Riuscì ad attivare 47 dei 68 elementi studiati con questo metodo. Incoraggiato dal suo successo, intraprende, in collaborazione con F. Rasetti e O. D'Agostino, il bombardamento neutronico di elementi pesanti: torio e uranio. "Gli esperimenti hanno dimostrato che entrambi gli elementi, precedentemente purificati dalle solite impurità attive, possono essere fortemente attivati quando vengono bombardati con neutroni". Il 22 ottobre 1934 Fermi fece una scoperta fondamentale. Posizionando un cuneo di paraffina tra la sorgente di neutroni e il cilindro d'argento attivato, Fermi ha notato che il cuneo non diminuiva l'attività dei neutroni, ma la aumentava leggermente. Fermi ha concluso che questo effetto era apparentemente dovuto alla presenza di idrogeno nella paraffina e ha deciso di testare come un gran numero di elementi contenenti idrogeno avrebbe influenzato l'attività di scissione. Dopo aver effettuato l'esperimento prima con la paraffina, poi con l'acqua, Fermi ha dichiarato centinaia di volte un aumento dell'attività. Gli esperimenti di Fermi hanno rivelato l'enorme efficienza dei neutroni lenti. Ma, oltre a notevoli risultati sperimentali, nello stesso anno Fermi conseguì notevoli conquiste teoriche. Già nel numero di dicembre del 1933 le sue prime riflessioni sul decadimento beta furono pubblicate su una rivista scientifica italiana. All'inizio del 1934 fu pubblicato il suo classico articolo "Sulla teoria dei raggi beta". Il riassunto dell'articolo dell'autore recita: "Si propone una teoria quantitativa del decadimento beta basata sull'esistenza di neutrini: in questo caso, l'emissione di elettroni e neutrini è considerata per analogia con l'emissione di un quanto di luce da parte di un atomo eccitato in teoria della radiazione. Le formule sono derivate dalla vita del nucleo e per la forma dello spettro continuo dei raggi beta; le formule ottenute sono confrontate con l'esperimento". Fermi in questa teoria diede vita all'ipotesi del neutrino e al modello protone-neutrone del nucleo, accettando anche l'ipotesi dello spin isotonico proposta da Heisenberg per questo modello. Sulla base delle idee espresse da Fermi, Hideki Yukawa predisse nel 1935 l'esistenza di una nuova particella elementare, ora nota come pi-mesone, o pione. Commentando la teoria di Fermi, F Razetti ha scritto: "La teoria da lui costruita su queste basi si è rivelata in grado di resistere pressoché immutata a due decenni e mezzo di sviluppo rivoluzionario della fisica nucleare. Si può notare che una teoria fisica raramente nasce in una forma così definitiva". Autore: Samin D.K.
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