di William Giroldini. Come si è arrivati a scoprire l’atomo e a definire le proprietà del suo nucleo?
Al giorno d’oggi tutti sanno che la materia è fatta di atomi, che sono costituiti da un certo numero di elettroni (con carica elettrica negativa), i quali orbitano attorno a un piccolo nucleo con carica elettrica positiva.
Ma come si è arrivati a questa scoperta e a definire le proprietà del nucleo degli atomi?
Questa storia si fa iniziare con Henri Becquerel, fisico francese, che fece la sua importante osservazione sulla radioattività nel 1895. Questa scoperta è uno degli eventi che dimostra come l’evoluzione scientifica spesso si basa su eventi casuali, fortuiti, non previsti, che cadono sotto gli occhi di scienziati pronti a cogliere il significato recondito di ciò che osservano.
Henri Becquerel aveva ereditato dal padre l’interesse per la fosforescenza, cioè la capacità di alcune sostanze di emettere luce dopo essere state esposte alla luce diretta.
Lui volle controllare se la radiazione emessa dai cristalli fluorescenti di uranio fosse composta anche da raggi X, che erano stati scoperti lo stesso anno da Conrad Rontgen con un metodo completamente diverso.
L’esperimento di Antoine Henri Becquerel
Becquerel utilizzò i campioni di uranio preparati da suo padre anni prima, li espose alla luce del Sole per “attivarli” e successivamente li dispose sopra una lastra fotografica avvolta attorno a della carta nera. I raggi attraversarono la carta ed impressero la lastra, come previsto.
In una successiva esperienza, Becquerel, sperimentatore attento, pose delle monete tra i campioni e la lastra fotografica. Ancora una volta trovò il risultato atteso: la moneta aveva impresso la sua immagine bianca sulla lastra fotografica.
Nel febbraio del 1895 annunciò finalmente ai membri dell’accademia delle Scienze francese che i raggi X si creavano anche dalle rocce uranifere precedentemente esposte alla luce del Sole.
Due giorni dopo l’annuncio, il tempo a Parigi tornò ad essere quello invernale, grigio e piovoso. Becquerel ripose i suoi campioni e le lastre fotografiche al buio in un cassetto, per il tempo di una settimana. Sapendo che i campioni di uranio rimanevano fluorescenti solo brevemente, pensava che passato un certo tempo non avrebbero più potuto formare immagini sulle lastre.
Un’intuizione geniale
Tuttavia, poiché il tempo continuava a rimanere brutto e grigio, decise di svilupparle comunque, aspettandosi di non trovare nulla.
Con sua sorpresa, notò che sulle lastre erano impresse delle immagini: misteriosi raggi le avevano impressionate mentre tutto si trovava al buio, anche se i cristalli non erano stati esposti in precedenza alla luce del sole.
Il caso aveva fatto la sua parte, ma qui intervenne il genio di Becquerel a cogliere ed interpretare una situazione totalmente nuova ed imprevista. La fosforescenza non aveva nulla a che fare col l’impressione della lastra fotografica. Lo studioso comprese che non si trattava di raggi X. Questi raggi erano diversi e dovevano provenire dall’interno del materiale, fatto che fino ad allora non era mai stato nemmeno ipotizzato.
Oggi sappiamo che l’intuizione di Becquerel era esatta; sappiamo anche che la radiazione responsabile dell’impressione della lastra fotografica ha origine direttamente dal nucleo degli atomi di uranio. Ma quanta strada ancora si dovette percorrere per arrivare a queste conoscenze moderne!
Com’è costituito un atomo
Gli atomi, come detto, sono fatti di un certo numero di elettroni che orbitano attorno a un piccolo nucleo centrale, che contiene quasi tutta la massa dell’atomo stesso. Inoltre, quasi tutto l’atomo (e la materia) è fatta di vuoto.
Infatti, se prendiamo l’atomo più piccolo (quello di idrogeno) e immaginiamo che l’elettrone orbiti in uno spazio grande come lo stadio di San Siro, ebbene le dimensioni del nucleo sono più o meno quello di una mosca, cioè pochi millimetri. Tutto il resto è spazio vuoto. E questo vale anche per gli atomi più grandi, come quello di uranio.
L’elettrone, in base a tutti gli esperimenti fatti dai fisici, è una particella elementare puntiforme, estremamente piccola, perfettamente rotonda, dotata di una carica elettrica e di un moto di rotazione attorno a se stessa, chiamato spin. Il nucleo degli atomi invece è un sistema composito: a parte il nucleo dell’idrogeno (fatto di un singolo protone), i nuclei degli altri atomi (sono circa un centinaio) sono fatti di protoni e neutroni.
A loro volta protoni e neutroni sono sistemi compositi fatti almeno di altre due particelle, chiamate quark e gluoni. Più precisamente, un protone è composto di due quark up e un quark down, mentre il neutrone è fatto di un quark up e due quark down. Il gluone è una particella intermedia che “lega” i quark all’interno del nucleo. Non si conoscono quark liberi, da soli, perché appena si libera un quark si trasforma immediatamente in altre particelle, per esempio protoni o neutroni.
Le indagini sulla costituzione dei nuclei atomici sono state fatte in molti laboratori fisici al mondo utilizzando enormi macchine, cioè gli acceleratori di particelle. Per esempio il CERN di Ginevra è costituito da un tunnel sotterraneo con una circonferenza di 27 kilometri ed è dotato di grandi rivelatori di particelle.
Gli esperimenti per scoprire le particelle dei nuclei atomici
Può sembrare un controsenso, ma per studiare le particelle piccolissime dei nuclei atomici, servono macchine di enormi dimensioni, in quanto si tratta di accelerare particelle (elettroni, protoni) e farli collidere contro bersagli (altri atomi) e vedere quali particelle escono fuori dagli impatti ad alta energia.
È come volere studiare com’è fatta un’automobile facendone impattare due l’una contro l’altra, ad alta velocità, e poi andare a vedere quali pezzi escono fuori: una ruota, una batteria, un pezzo di motore, un cambio etc. e da questi pezzi capire come è fatta una automobile integra. Per quanto strano, coi nuclei atomici non ci sono altri modi per “vedere come sono fatti dentro”.
In questo modo sono state scoperte un centinaio di particelle (oltre ai quark) di vita brevissima che si formano durante le collisioni ad alta energia.
(1a puntata- continua)
