La scoperta del neutrone e il
Cavendish Laboratory
Arturo Russo
Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative
Università di Palermo
AIF – Scuola di Storia della Fisica 2005
La scoperta del nucleo atomico
Ernest Rutherford
(Manchester, 1911)
Il Cavendish Laboratory
(Cambridge)
J. C. Maxwell
(1874-1879)
J. W. Rayleigh
(1879-1884)
J. J. Thomson
(1884-1919)
E. Rutherford
(1919-1938)
Il Cavendish Laboratory al
tempo di Rutherford
"Ai teorici piace giocare
con i simboli, ma noi,
qui al Cavendish,
riveliamo i fatti reali
della natura!"
Patrick Blackett
Arrivato nel 1919. Grande
esperto della camera a nebbia
"A quel tempo, il lavoro al
Cavendish era piccola scienza.
Gli esperimenti erano fatti in
generale da una sola persona,
la quale si costruiva gran
parte della strumentazione
necessaria"
James Chadwick
Arrivato nel 1920 e
e principale
collaboratore di
Rutherford
Pyotr Kapitsa
Responsabile di
ricerca sul
magnetismo
(1921-1934)
John Cockroft e Ernest Walton
Foto di gruppo nel 1932
Come è fatto un nucleo?
Nucleo di carbonio (C)
Massa: A = 12
Carica: Z = 6
12 protoni (+)
6 elettroni (-)
In generale:
A
ZX
 A protoni, A-Z elettroni
Gli elettroni nucleari:
Le ragioni a favore
• Il nucleo è certamente una particella
composta e le uniche “particelle
elementari” sono protone ed elettrone
• L’emissione di elettroni nel decadimento
beta suggerisce la presenza di elettroni
nel nucleo
Gli elettroni nucleari:
Le ragioni contro (1)
Il confinamento
nel nucleo
La lunghezza d’onda degli elettroni dovrebbe essere
non più grande della dimensione del nucleo (~ 10-13
cm). L’energia cinetica degli elettroni risulterebbe
allora dell’ordine di 20-25 MeV, e nessuna barriera di
potenziale potrebbe mantenerli confinati per tempi
dell’ordine della vita media nel decadimento beta.
Gli elettroni nucleari:
Le ragioni contro (2)
Ralph Kronig
Lo spin dell’elettrone e lo
spin del nucleo dell’atomo di
azoto (A = 14; Z = 7)
14 protoni e 7 elettroni, ovvero 21 particelle di spin ½ 
Il nucleo di azoto dovrebbe avere spin semintero, mentre
i dati sperimentali mostrano che ha spin intero (s = 1)
Gli elettroni nucleari:
Le ragioni contro (3)
Il momento magnetico nucleare
Il momento magnetico nucleare dovrebbe
risultare dell’ordine del magnetone di Bohr
( he/mec2 ), ma lo studio della struttura
iperfine dava valori dell’ordine di he/mpc2,
ovvero circa 2000 volte più piccoli.
Gli elettroni nucleari:
Le ragioni contro (4)
Le proprietà
statistiche dei nuclei
Franco Rasetti
Il nucleo di azoto, contenente un numero dispari (21) di
fermioni dovrebbe obbedire alla statistica di Fermi-Dirac,
ma lo studio degli spettri Raman della molecola di azoto
mostrano che obbedisce alla statistica di Bose-Einstein
Gli elettroni nucleari:
Il problema del decadimento b
Lo spettro beta
e il principio di
conservazione
dell’energia
Il “disperato rimedio”
di Wolfgang Pauli
(Dic. 1930)
“Potrebbero esistere nel nucleo
delle particelle neutre di spin ½,
che vorrei chiamare neutroni […]
la cui massa sarebbe dell’ordine
della massa elettronica. […]
Lo spettro b continuo si potrebbe capire assumendo che
nel decadimento b viene emesso un neutrone insieme
all’elettrone, in modo che l’energia dell’elettrone e del
neutrone rimanga costante.”
La prima trasmutazione nucleare
Rutherford
(1919)
Una prima interpretazione
a
protoni

N14 , O16
particelle di carica 2
e massa 3
La “Bakerian
lecture” del 1920
Strutture stabili nel nucleo ?
p ; a  (4p,2e) ; (3p,1e)
Forse anche (2p,1e), “un isotopo dell’idrogeno”
Forse anche (1p,1e), “un doppietto neutro”
+-
Una particella neutra ?
“In certe condizioni può accadere che un
elettrone si leghi molto strettamente ad un
protone formando una sorta di doppietto neutro.
Un tale atomo avrebbe delle proprietà del tutto
nuove. Il suo campo esterno sarebbe
praticamente nullo, […] e di conseguenza esso
potrebbe muoversi liberamente attraverso la
materia.”
(Rutherford, Bakerian Lecture, 1920)
Un'interpretazione errata
Nel 1924 Rutherford e Chadwick
mostrarono che la fantomatica particella
(3p,1e) non esisteva
Nel 1925 Blackett dimostrò, in camera a
nebbia, che si trattava di una reazione
del tipo:
a + N14  O17 + p
Ma l'idea di un "doppietto
neutro", o neutrone, continuò
a circolare nell'ambiente del
Cavendish
Chadwick ricorda
(1962)
"Durante i periodi di attesa prima di cominciare a
contare le scintillazioni, Rutheford mi esponeva
lungamente le sue idee sul problema della
struttura nucleare, in particolare sulla difficoltà di
capire come potessero formarsi nuclei complessi
se le sole particelle elementari disponibili erano il
protone e l'elettrone, e quindi la necessità di
invocare l'aiuto del neutrone"
Il problema della struttura
nucleare
La struttura a righe della
spettro alfa (1929), con
la contemporanea
emissione di raggi
gamma suggerisce livelli
energetici nucleari
(Gamow, 1930)
Il problema della struttura nucleare
Bombardando nuclei leggeri con particelle alfa
si aveva emissione di protoni che sembravano
mostrare anch'essi uno spettro a righe 
emissione gamma?
Dalla misura dello spettro dei protoni e/o della
eventuale radiazione gamma associata si
potevano ricavare informazione sui livelli
energetici nucleari
I centri di ricerca
Cambridge
(Cavendish Lab)
J. Chadwick, H. Webster,
J. Constable, E. Pollard
Parigi
(Inst. du Radium)
F. Joliot, I. Curie
Berlino
(Phys-Tech. Reichs)
W. Bothe, H. Fränz,
H. Becker
La tecnica sperimentale
p
Sorgente
radioattiva
(Po)
a
Bersaglio
g
La scoperta di
Walter Bothe e
Herbert Becker
(Berlino, autunno 1930)
Walter Bothe
Po
a
Be
Radiazione molto
penetrante
Una sorpresa, perché il berillio non emette
protoni per bombardamento alfa
Una possibile interpretazione
a
g
Be9
C13
a + Be9  C13 + g
Eg ~ 15-20 MeV, maggiore di quella delle
particelle a incidenti e maggiore di quella dei
raggi g dalle ordinarie sostanze radioattive
Una sorgente di raggi
gamma di altissima energia
Po-Be
g
Due possibili linee di
ricerca (1931)
• Cercare di spiegare l'assorbimento di
una particella a da parte di un nucleo
di berillio e della successiva emissione
di un fotone di energia così elevata
• Usare la sorgente Po-Be per studiare
l'interazione radiazione-materia ad
energia intermedia tra quella dei raggi
g ordinari e quella dei raggi cosmici
Al Cavendish si sceglie la
prima linea di ricerca
Chadwick incarica H. Webster di
studiare l’emissione gamma
stimolata da bombardamento alfa
con contatori Geiger e camere di
ionizzazione.
Interesse per il berillio (Be9) che
potrebbe essere composto da due
particelle a e un neutrone.
I risultati di Webster
H. C. Webster
La radiazione emessa dal berillio nella stessa direzione
delle particelle alfa incidenti è molto più penetrante di
quella emessa nella direzione opposta.
Dubbi sul fatto che la radiazione Po-Be sia costituita di
raggi gamma  forse neutroni?
Nuovi esperimenti con camera a nebbia, ma senza
risultati significativi
A Parigi si
sceglie la
seconda linea
di ricerca
Irène Curie e
Frédéric Joliot
La scoperta di Anderson
(autunno 1931)
La presenza di tracce di
particelle positive nella
camera a nebbia suggerisce
che i raggi cosmici (fotoni di
altissima energia)
interagiscono con i nuclei
atomici producendo
l’emissione di protoni
C. Anderson a Caltech
Fenomenologia dell’interazione
radiazione-materia (1931)
Raggi X e g di
bassa energia
Effetto Compton sugli elettroni
periferici (Klein-Nishina)
Raggi g di alta
energia
Effetto Compton ed interazioni nucleari
(assorbimento anomalo osservato da
vari autori)
Radiazione
Po-Be
???
Fotoni dei raggi Trasmutazioni nucleari con emissione
cosmici
di protoni (C. Anderson)
La scoperta di
Joliot e Curie
(11 gennaio 1932)
Po-Be
Protoni
Sostanza idrogenata
(acqua, paraffina, ecc.)
La scoperta di Joliot e Curie
“Una radiazione elettromagnetica di alta
frequenza è capace di liberare, nelle
sostanze idrogenate, dei protoni animati da
grande velocità”  una sorta di effetto
Compton sui protoni dei nuclei di idrogeno
Po-Be
g
p
Ep ~ 4,5 MeV
g’
Eg ~ 50 MeV
La notizia arriva a Cambridge
(~ 25 gennaio 1932)
La reazione di Rutherford nel
ricordo di Chadwick:
"Vidi la sua meraviglia crescere,
finché esclamò: "Non ci credo!"
[…] Ovviamente Rutherford
concordava sul fatto che
bisognava credere alle
osservazioni; la spiegazione
però era un'altra storia"
La reazione di Chadwick nel
ricordo di Occhialini
"Damned ….
It's a neutron!"
La scoperta di Chadwick
n
p
Po-Be
L'urto elastico di due particelle di
uguale massa
La nuova interpretazione della
radiazione Po-Be
g
Po
a
Be
p
n
a + Be  C12 + n
H
g
a + Be  C12* + n
C12 + g
(Eg ~ 6 MeV)
L’annuncio della scoperta
17 febbraio
Lettera a Nature
23 febbraio
Comunicazione al “Kapitza club” di
Cambridge
24 febbraio
28 aprile
Lettera a Bohr con il preprint della
lettera a Nature
intervento alla Royal Society
10 maggio
Lungo articolo su Proceedings Royal
Society
Come è fatto un neutrone?
“Possiamo supporre
che il protone e
l’elettrone formino un
piccolo dipolo”
La massa del neutrone da lui misurata risulta
inferiore a quella del protone, corrispondente ad
una energia di legame p-e dell’ordine di 1-2 MeV
Si ripropone il problema
degli elettroni nucleari
Il neutrone come particella
elementare?
I nuclei sono composti di protoni e
neutroni, considerati entrambi come
particelle elementari di spin ½.
Dimitri Iwanenko (1932)
Ettore Majorana (non pubbl.)
Il "compromesso"
di Heisenberg
(Über den Bau der Atomkerne, 1932)
Il neutrone come "componente
fondamentale indipendente del
nucleo [con spin ½] che tuttavia,
in particolari condizioni, può scindersi
in un protone e un elettrone"
In concetto di "isospin“
(Heisenberg 1932)
Il legame protone-neutrone
analogo al legame chimico
della molecola di idrogeno
ionizzato H2+
p
n
p
n
e
p
p
Sviluppo della teoria della
struttura nucleare (1933)
Eugene Wigner
Ettore Majorana
Il problema del decadimento b
Da dove viene l'elettrone?
Preesistente nel nucleo ed espulso (Chadwick), oppure
"creato" in un processo di tipo nuovo (Iwanenko)?
Come si spiega lo spettro continuo?
Non conservazione dell'energia (Bohr), oppure
una seconda particella neutra emessa con l'elettrone
(Pauli)?
Copenhagen
(aprile 1932)
Si discute del "neutrone"
di Pauli e si conclude
con la "Apoteosi del vero
neutrone“ di Chadwick
Adesso realtà,
un tempo visione.
Che classicità,
grazia e precisione!
Accolta con cordialità,
onorata nei canti,
Eterna Neutralità
portaci con te
Il 7° Congresso Solvay
Bruxelles, 22-29 ottobre 1933
Bruxelles 1933: il bilancio
dell’annus mirabilis 1932
• Cockroft sulla trasmutazione dei nuclei
prodotta da protoni accelerati
• Chadwick sul neutrone
• Dirac sulla teoria del positrone
• Gamow sui livelli energetici nucleari
• Heisenberg sulla struttura dei nuclei
E ancora ….
• Joliot e Curie riportano nuovi dati che
mostrano che il neutrone ha massa
maggiore di quella del protone
• Pauli ripropone la sua ipotesi
sull’esistenza di una particella neutra
nel decadimento beta
• Fermi propone il termine “neutrino” per
indicare tale particella
La teoria del
decadimento b
(gennaio 1934)
n  p+e+n
Enrico Fermi
Protone, elettrone e neutrino
sono creati nel processo di
decadimento del neutrone
per effetto di un nuovo tipo
di interazione "debole"
Gli elettroni sono finalmente
esclusi dal nucleo atomico e il
principio di conservazione
dell’energia è salvo!
La radioattività
artificiale
(gennaio 1934)
Creazione in laboratorio
di sostanze radioattive
artificiali a scopo di
ricerca o per applicazioni
mediche
I. Curie e F. Joliot
La teoria delle
forze nucleari
(1935)
Hideki Yukawa
L’interazione "forte" tra due
nucleoni (protoni e neutroni)
è mediata non da elettroni ma
da particelle di spin intero
(bosoni) e massa pari a circa
280 volte quella dell’elettrone
(mesoni)
La fisica nucleare entra
nella maturità