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

Nel centenario del famoso articolo in cui si introduce il concetto di nucleo atomico, una rivisitazione della vita e dell’attività scientifica di Ernest Rutherford

04.08.2011 - Pasquale Tucci
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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)

 

Cento anni fa fu pubblicato l’articolo dove, per la prima volta, Rutherford mostra che il modello di atomo allora diffuso – quello dell’atomo-panettone di J. J. Thomson – non era in grado di dar conto di alcune osservazioni fatte usando le particelle alfa. È un’avvincente scoperta la storia di quell’avventura scientifica che portò alla formulazione di un nuovo settore di ricerca che oggi chiamiamo «fisica nucleare».
Essa ha avuto profonde ripercussioni sulla nostra conoscenza e interpretazione dei fenomeni naturali e ha portato ad applicazioni sia militari che civili che i pionieri erano ben lontani dall’immaginare. È noto che Rutherford non credeva alla possibilità dell’uso pratico dell’energia atomica: «le trasformazioni dell’atomo sono di straordinario interesse per gli scienziati ma noi non siamo in grado di controllare l’energia atomica fino al punto da renderla possibile commercialmente, e io credo che non saremo mai capaci di farlo».

Nel seguito ripercorrerò alcuni tratti della sua biografia scientifica per quel che riguarda la formulazione di un nuovo modello di atomo. Ma prima di parlare del suo contributo alla costruzione del modello di atomo planetario è opportuno ricordare che Rutherford fu un individuo che, oltre agli interessi scientifici, professava convincimenti civili che ebbe occasione di manifestare in parecchi episodi della sua vita. Si adoperò perché l’Università di Cambridge garantisse alle donne gli stessi privilegi degli uomini; difese la libertà della BBC contro la censura governativa; fu consulente della BBC e tenne regolari conferenze radiofoniche sul suo lavoro; difese le borse di studio per studenti che venivano dalle colonie.
Quando Hitler conquistò il potere nel 1933, e diede inizio alla sua politica contro i non-ariani, Rutherford aiutò gli accademici profughi dalla Germania.
Mentre incominciavano a intravedersi i barlumi della guerra imminente Rutherford si adoperò in un meeting del Fronte Democratico perché fosse sottoscritto dalle nazioni il divieto di usare gli aerei in guerra.
Ed era anche un uomo di spirito. Nel 1908 a Rutherford fu assegnato il Premio Nobel in Chimica «per le sue ricerche sulla disintegrazione degli elementi e la chimica delle sostanze radioattive». Perché il Nobel in Chimica e non in Fisica? Oppure il Nobel sia nell’una che nell’altra disciplina come avvenne per Marie Sklodowska Curie (1867-1934) nel 1903 e nel 1911? Anche lui in effetti non se lo sapeva spiegare. Nel Nobel Banquet affermò: «Ho avuto a che fare con molte differenti trasformazioni in vari periodi, ma le più rapide sono state le mie trasformazioni istantanee da fisico a chimico».
In un’altra occasione, nel 1904, Rutherford era in apprensione per una conferenza alla Royal Institution sul tema dell’età della Terra. Egli aveva retrodatato l’età della Terra rispetto alla datazione di Lord Kelvin, l’anziano e autorevole scienziato presente in sala. Kelvin sonnecchiò per tutta la conferenza ma quando Rutherford arrivò al punto «vidi quello strano tipo tirarsi su, aprire un occhio e lanciare un minacciosa occhiata. Allora mi venne un’ispirazione e dissi che Lord Kelvin aveva limitato l’età della Terra a condizione che non venisse scoperta una nuova sorgente di calore. L’arzillo vecchietto mi sorrise raggiante!».
Nel 1901 Soddy, che insieme a Rutherford aveva scoperto che il torio radioattivo si convertiva in radio, urlò entusiasta: «Questa è trasmutazione!». Ma Rutherford esclamò: «Dio santo, non chiamarla trasmutazione. Ci taglieranno la testa come alchimisti!» Ma quando nel 1931 gli fu assegnato il titolo di Lord Rutherford di Nelson non ebbe timore di inserire nel suo stemma Ermete Trismegisto, un kiwi e un guerriero Maori. Il suo motto latino fu scelto dal De Rerum Natura di Lucrezio: «Primordia Quaerere Rerum» (ricercare la natura delle cose). Il suo scudo araldico è diviso in quattro da curve di decadimento e crescita della radioattività.

 

L’atomo di Rutherford

 

Nel 1909 Hans Geiger (1882-1945) e Ernest Mardsen (1889-1970), ricercatori del laboratorio dell’Università di Manchester diretto da Rutherford, pubblicarono una breve memoria sulla riflessione delle particelle alfa. L’articolo era stato comunicato alla Royal Society da Rutherford che viene ringraziato dagli autori per l’interesse e i suggerimenti dati durante l’intero lavoro.
Le particelle a erano state identificate da Rutherford nel 1899 studiando la ionizzazione dei gas per effetto della radiazione emessa da sali d’uranio. Che i sali di uranio emettessero «qualcosa» in grado di attraversare corpi opachi e di impressionare lastre fotografiche era stato scoperto nel 1896 da Henri Becquerel (1852-1908). Nel 1899 non era ancora chiaro che la radiazione fosse un fenomeno di radioattività naturale. Veniva invece ipotizzato che i sali d’uranio emettessero raggi X, da poco scoperti nel 1895 da Wilhelm C. Röntgen (1845-1923). Nell’articolo del 1899 Rutherford aveva mostrato che la radiazione emessa dai sali di uranio era più complessa della radiazione X e che era costituita da due componenti: una poco penetrante alla quale diede il nome di alfa e l’altra di un paio di ordini di grandezza più penetrante alla quale diede il nome di ß.
In seguito, nel 1909, Rutherford e Thomas Royds fornirono la definitiva identità delle particelle alfa con l’atomo di elio privato dei suoi elettroni.
All’epoca dell’esperimento di Geiger e Marsden del 1909 il modello atomico accettato era quello di J. J. Thomson, il cosiddetto modello a panettone, ovvero plum pudding model, secondo il quale gli atomi degli elementi sono formati da un certo numero di corpuscoli di carica negativa (gli elettroni) racchiusi in una sfera uniforme di carica positiva.
I due ricercatori si proponevano di studiare la distribuzione della carica all’interno dell’atomo di Thomson osservando le deflessioni subite dalle particelle a. Esse venivano prodotte dal decadimento radioattivo del radio e venivano fatte incidere su sottili lamine di metallo di vario peso atomico (piombo, oro, platino, stagno, argento, rame, ferro, alluminio). Le lamine venivano avvolte in uno schermo di solfuro di zinco che fungeva da rivelatore: quando veniva colpito da particelle a emetteva scintille che venivano osservate al microscopio e se ne misurava la frequenza.
I ricercatori si aspettavano che, in accordo al modello di atomo adottato, le particelle a fossero deflesse al massimo di pochi gradi. Invece essi osservarono che una piccola percentuale di esse subiva una deflessione maggiore di 90 gradi. In altre parole esse rimbalzavano tornando indietro.
«È stata trovata un prova conclusiva dell’esistenza di una diffusa riflessione delle particelle a. Una piccola frazione delle particelle a incidenti su una lamina di metallo aveva cambiato la sua direzione di una tale quantità che esse emergevano dal lato dell’incidenza».

Rutherford rimase molto colpito dal risultato ottenuto dai due ricercatori: era piuttosto strano che alcune particelle a (1/20.000 quando passavano attraverso una lamina di oro di 0.00004 cm) la cui massa è molto superiore a quella dell’elettrone rimbalzassero indietro come se si fossero scontrate con una minuscola particella positiva ancora più pesante. Secondo il modello a panettone, invece, la particella alfa avrebbe dovuto essere leggermente deflessa dalla carica positiva uniformemente distribuita nel panettone. La deflessione poteva essere il risultato di deflessioni multiple.
Così Rutherford ricorda l’episodio nel 1936: «Precedentemente avevo osservato la diffusione delle particelle a e il dott. Geiger nel mio laboratorio le aveva esaminate in dettaglio. Egli trovò che in lamine sottili di metallo pesante la diffusione era usualmente piccola, dell’ordine di un grado. Un giorno Geiger venne da me e mi disse: “Non pensi che il giovane Marsden, che io sto addestrando nei metodi radioattivi, potrebbe cominciare una piccola ricerca?” […] Io gli risposi: “Perché non lasciargli esaminare se le particelle a possono essere deflesse di un grande angolo?” Detto tra noi io non pensavo che sarebbe stato possibile».
Rutherford, infatti, pensava che le alfa, particelle molto pesanti e con grande energia, subissero solo piccole deflessioni in un atomo a panettone e che solo un effetto cumulativo potesse far sì che qualche particella rimbalzasse all’ indietro: ma la probabilità che questo avvenisse era molto bassa.
Ma quale non fu la sua sorpresa quando «due o tre giorni dopo Geiger venne da me con grande eccitazione dicendo: “Siamo stati in grado di ottenere particelle a che rimbalzano indietro.” Era il più incredibile evento che fosse mai capitato nella mia vita. Era come se avessi sparato un proiettile di 15 inches (1 inch=2.54 cm) contro una pezzo di carta e mi fosse tornato indietro. Pensai dunque che la diffusione dovesse essere il risultato di una singola collisione e quando feci i calcoli constatai che era impossibile ottenere qualcosa di quell’ordine di grandezza a meno di non prendere in considerazione un sistema nel quale la maggior parte della massa degli atomi è concentrata in un piccolo nucleo. Fu allora che ebbi l’idea di un atomo con un nucleo carico molto pesante».
E in effetti nel 1911 pubblica l’articolo che interpreta il fenomeno scoperto da Geiger e Marsden ipotizzando per l’atomo una struttura diversa da quella che aveva ipotizzato Thomson.
L’articolo è abbastanza lungo ma molto ben organizzato: la sua struttura logica e le argomentazioni risultano chiare e comprensibili.
(L’immagine a lato è la parte iniziale della prima pagina dell’articolo “The scattering of alfa and beta particles by matter and the scructure of the atom, in Philosophical Magazine. Nota (1) per i riferimenti completi  dell’articolo)

Le conclusioni di Rutherford sono caute ma assolutamente originali per quel che riguarda la possibile struttura dell’atomo: «Paragonando la teoria esposta in questo lavoro con i risultati sperimentali è stato supposto che l’atomo consiste di una carica centrale concentrata in un punto e che le grandi singole deflessioni delle particelle alfa e delle particelle ß sono dovute essenzialmente al loro passaggio attraverso un forte campo centrale». 

 

C’era comunque il problema della stabilità dell’atomo ma, molto pragmaticamente, Rutherford lo accantona: «La questione della stabilità dell’atomo proposto non ha bisogno di essere considerata a questo stadio, perché essa dipenderà ovviamente dalla struttura minuta dell’atomo, e dal moto delle sue parti cariche costitutive».

 

La costruzione di un modello atomico

 

Da affrettate ricostruzioni storiche, che a volte si leggono anche in autorevoli libri di testo di fisica, sembra che Rutherford fosse stato obbligato a ipotizzare che l’atomo avesse una struttura planetaria: particelle cariche positivamente al centro intorno alle quali orbitavano particelle cariche negative.
In effetti il percorso di costruzione del modello fu molto più complesso. Nell’articolo del 1911 si parla semplicemente di una «carica centrale» circondata da «una distribuzione uniforme di carica di segno opposto» senza specificare il loro segno perchè i dati sperimentali erano compatibili sia con un nucleo carico positivamente che negativamente.
Né si parla di «nucleo», un termine che Rutherford usò per la prima volta solo successivamente, nel 1913.
L’articolo, inoltre, non ebbe immediate ripercussioni né Rutherford si impegnò particolarmente a diffondere il suo modello. Ritornò solo nel 1914 sul suo modello per parlare di «alcuni punti che erano stati omessi nella prima comunicazione». Al primo Congresso Solvay dell’ottobre 1911 non si parlò del modello di atomo di Rutherford sebbene egli fosse presente. E lo stesso avvenne nel Congresso Solvay del 1913 dove il principale contributo alla modellistica atomica fu un lungo lavoro di Thomson sul proprio modello e, solo in fase di discussione, si accennò al modello di Rutherford.
Perché Rutherford fu così prudente? E perché lo stesso Thomson continuò a proporre il suo modello? In effetti Rutherford non aveva proposto un modello completo di atomo ma solo un modello per spiegare la diffusione delle particelle alfa e ß che quindi poteva essere interpretato come uno strumento costruito ad hoc per spiegare fenomeni inattesi nel quadro concettuale dell’atomo a panettone.
La svolta decisiva per l’accettazione del modello venne da Niels Bohr (1885-1962).
Bohr aveva incontrato Rutherford a Cambridge in occasione di una conferenza che questi aveva tenuto al Cavendish Laboratory (diretto da Thomson) alla fine del 1911, dove Bohr lavorava. Poco dopo, a meno di un anno dalla pubblicazione dell’articolo di Rutherford, Bohr lasciò Cambridge per Manchester, probabilmente attratto dalla forte personalità di Rutherford. In una lettera, scritta al fratello, così ricostruisce il suo interesse per lo studio del modello di atomo. «Un paio di giorni fa ho avuto una piccola idea per capire l’assorbimento delle particelle alfa.[ …] Charles G.Darwin (1887-1962) ha appena pubblicato una teoria in proposito, ed ho pensato […] che sia insoddisfacente […] e ho elaborato una piccola teoria […] che può gettare un po’ di luce riguardo alla struttura degli atomi».
Per migliorare la trattazione di Darwin, Bohr doveva necessariamente impiegare il modello dell’atomo di Rutherford. Affronta innanzitutto il problema della stabilità dell’atomo planetario, instabile per varie ragioni: la prima riguardava la perdita di energia degli elettroni che comportava un collasso di essi sul nucleo; l’altra riguardava il fatto che un modo di oscillazione prodotto dal movimento degli elettroni poteva crescere fino a frantumare l’atomo; e infine la determinazione del raggio dell’orbita e della frequenza di rivoluzione di un elettrone richiedeva la conoscenza delle condizioni iniziali del moto e queste non erano note.
Non c’era, quindi, nell’ambito di una trattazione del fenomeno sulla base della meccanica classica, nessuna possibilità di risolvere il problema della stabilità dell’atomo. L’unica via percorribile, secondo Bohr, era quella seguita da Max Planck (1858-1947) e da Albert Einstein (1879-1955) per spiegare i meccanismi della radiazione. Vale a dire che un elettrone può rimanere su un’orbita stabile solo se la sua energia cinetica E è proporzionale alla sua frequenza orbitale ? attraverso una costante K strettamente correlata alla costante h di Planck.
Dopo la pubblicazione dei lavori di Bohr anche Rutherford fu più esplicito sulla realtà del suo modello. In un lavoro del 1920, La costituzione nucleare dell’atomo Rutherford lucidamente descrive lo stato dell’arte a proposito del suo modello atomico. Secondo Rutherford la concezione della costituzione nucleare dell’atomo nacque inizialmente dai tentativi di rendere conto delle grandi deflessioni subite dalle particelle alfa quando attraversavano lamine di metalli.
«Per dar conto di questi risultati era stato necessario assumere che l’atomo consistesse di un nucleo pesante carico positivamente di dimensioni moto piccole rispetto alle dimensioni usualmente accettate per il diametro dell’atomo. Il nucleo carico contiene la maggior parte della massa dell’atomo ed è circondato a distanza da una distribuzione di elettroni negativi uguali in numero alla carica positiva nel nucleo».
Ma siamo agli inizi degli anni Venti e oramai si profila una nuova rivoluzione scientifica: quella della meccanica quantistica. Ma questa è un’altra storia che non sarebbe stata possibile senza Rutherford.
Come scrive John Campbell, Rutherford «è per l’atomo quelle che Darwin è per l’evoluzione, Newton per la meccanica, Faraday per l’elettricità e Einstein per la relatività»
È seppellito nella cattedrale di Westminster con Isaac Newton e Joseph JohnThomson.
Il New York Times così lo ricordò: «In una generazione che è stata testimone di un una delle più grandi rivoluzioni nell’intera storia della scienza egli è universalmente riconosciuto come il pioniere del vasto e infinitamente complesso universo all’interno dell’atomo, un universo che egli fu il primo a svelare».

 

Pasquale Tucci
(Professore Ordinario di Storia della Fisica presso l’Università degli Studi di Milano e Direttore del Museo Astronomico-Orto Botanico di Brera a Milano)

 

NOTE

  1. The scattering of alpha and beta particles by matter and the structure of the atom, in Philosophical Magazine, volume 21 (1911), pagine 669-688. L’articolo intero si può leggere all’indirizzo http://www.math.ubc.ca/~cass/rutherford/rutherford.html

 

 

Pubblicato sul n° 42 di Emmeciquadro

 




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