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SCIENZA&STORIA/ A cent'anni dalla scoperta del Nucleo Atomico

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Sir Ernest Rutherford  Sir Ernest Rutherford

Nel centenario del famoso articolo in cui, per render conto della deflessione delle particelle a a grandi angoli, si introduce il concetto di nucleo atomico, questa rivisitazione della vita e dell’attività scientifica di Ernest Rutherford mostra quanto ampio sia stato il suo contributo alla nascita della fisica nucleare: dalla spiegazione della radioattività naturale fino alle prime reazioni nucleari indotte dalle particelle alfa.

 

Nel 1961, a cinquant’anni dalla pubblicazione dell’articolo di Ernest Rutherford (1871-1937) sulla struttura dell’atomo planetario (1), si tenne a Manchester un convegno per ricordare l’evento. Il resoconto della conferenza così recitava: «La fisica, nonostante l’aspetto severo per molti studenti, è un’attività umana creativa e la storia della fisica è in larga parte una storia del lavoro di grandi uomini. […] Il nucleo atomico, nel quale risiedono le più potenti forze dell’atomo, fu immaginato da Rutherford per spiegare la diffusione delle particelle alfa da parte degli elementi pesanti, e fu proposto in un classico articolo di inoppugnabile semplicità pubblicato nel Philosophical Magazine del 1911».

 

Rutherford e la fisica del nucleo

 

Con Rutherford nasce un nuovo settore di ricerca: la fisica del nucleo. Ad essa diede vari contributi fondamentali. Nel 1899 spiegò la radioattività naturale come disintegrazione spontanea degli atomi: «Tutti i risultati che sono stati ottenuti portano alla conclusione che l’uranio emette tipi di radiazioni che, per quel che riguarda i loro effetti sui gas sono simili ai raggi Röntgen e alla radiazione emessa dai metalli quando raggi Röntgen incidono su di essi. […] La radiazione dell’uranio è complessa e vi sono presenti almeno due distinti tipi di radiazione, una che è prontamente assorbita, che sarà chiamata per convenienza radiazione alfa e l’altra molto più penetrante che sarà chiamata radiazione beta». Fu la prima dimostrazione che l’atomo non fosse un’entità stabile, come invece si pensava da secoli.
Nel 1911 ipotizzò, la struttura planetaria dell’atomo (su questo punto sarò più dettagliato nel seguito).
Nel 1919 fornì la prova sperimentale che si potesse scindere un atomo e che un elemento potesse trasformarsi in un altro. Egli bombardò con particelle alfa il nucleo dell’azoto e si accorse che venivano prodotte particelle (in seguito chiamate protoni proprio da Rutherford) « […] che formavano una parte costitutiva del nucleo di azoto». In seguito Patrick M.S. Blackett (1897-1974) dimostrò, usando una camera a nebbia, che l’azoto si era trasformato in un isotopo dell’ossigeno (17O): si era realizzato il sogno dei vecchi alchimisti, quello della trasmutazione. «Prendendo in considerazione la grande energia delle particelle alfa espulse dal radio C [Bismuto, 214Bi], la collisione di una particella alfa con un atomo leggero sembra essere il più probabile agente per ditruggerlo. […] L’insieme degli esperimenti suggerisce che, se le particelle alfa - o simili proiettili - di energia ancora più elevata fossero disponibili, potremmo aspettarci di rompere la struttura del nucleo di molti degli atomi più leggeri». Non è un caso che il «proiettile» più efficace - il neutrone - sia stato scoperto da James Chadwick (1891-1974) nel 1932 nel Cavendish laboratory a Cambridge diretto da Rutherford dal 1919.
E non è un caso se Otto Hahn (1879-1968) che, nel 1938, realizzò la scissione dell’uranio (un atomo pesante) in atomi più leggeri, avesse lavorato sotto la direzione di Rutherford quando ambedue erano alla MacGill University a Montreal nel 1905-06.

 

La vita, la carriera scientifica, il carattere

 

Rutherford era nato nel 1871 in Nuova Zelanda, una remota colonia inglese, e si laureò nel 1895. Dopo l’università lasciò la sua terra per recarsi al Cavendish Laboratory in Cambridge (UK). A Cambridge fu il primo laureato ammesso che non aveva compiuto lì i suoi studi universitari. Quando lasciò la Nuova Zelanda non era un ricercatore alle prime armi, ma già un brillante fisico sperimentale nella tecnologia elettrica, in particolare nelle onde elettromagnetiche.
Il Cavendish era allora diretto da Joseph John Thomson (1856-1940), che era vicino alla scoperta della particella carica negativamente, in seguito chiamata «elettrone».
Thomson lo invitò studiare la conduzione elettrica nei gas.
Nel 1898 si trasferì alla McGill University in Montreal, Canada, dove trovò ottimi laboratori. Alla McGill Rutherford scoprì il radon, un gas radioattivo chimicamente inattivo. Insieme a Fredrick Soddy (1877-1956) mostrò che la radioattività naturale era dovuta ad atomi pesanti che spontaneamente decadono in atomi più leggeri. Fu per questa scoperta che a Rutherford fu assegnato il premio Nobel per la Chimica nel 1908. Avendo realizzato che il piombo era il prodotto finale stabile del decadimento dell’uranio Rutherford propose di usarlo come metodo di datazione dei minerali dimostrando che la Terra era molto più vecchia di quello che si pensava fino ad allora. Nel 1907 si trasferì alla Manchester University e nel 1919 fu il successore di Thomson al Cavendish Laboratory a Cambridge. Morì nel 1937 all’età di 66 anni.


E. Rutherford e H. Geiger nel laboratorio della Victoria University di Manchester, dove svilupparono, a partire dal 1907, il metodo per rilevare le singole particelle emesse dagli atomi radioattivi (www.teara.govt.nz/en)

(E. Rutherford e H. Geiger nel laboratorio della Victoria University di Manchester dove svilupparono, a partire dal 1907, il metodo per rilevare le singole particelle emesse dagli atomi radioattivi - Credit: www.teara.govt.nz/en)

 

(Gli scienziati e lo staff di laboratorio della Manchester University nel 1910. E. Rutherford è seduto al centro nella fila di mezzo - Credit: www.teara.govt.nz/en)



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