Fisica del XX secolo
La fisica atomica
I ragazzi di via Panisperna
Fermi e la pila atomica
La fisica atomica
Modelli atomici
Modello di Thomson
Modello di Rutherford
Modello di Bohr
La fisica atomica
L’atomo veniva considerato come un sistema complesso
dotato di una struttura interna. Era quindi naturale cercare
di elaborare qualche modello atomico che potesse
interpretare i fatti sperimentali della fisica atomica.
Logicamente ogni rappresentazione modellistica doveva
tenere conto delle conoscenze acquisite a quel tempo, in
particolare del fatto che:
- essendo ogni elemento di materia in condizioni normali
elettricamente neutro un atomo doveva essere
caratterizzato da una carica positiva uguale a quella
negativa dei suoi elettroni
La fisica atomica
-essendo la massa atomica molto più grande di quella
elettronica, la carica positiva doveva essere associata alla quasi
totalità della massa dell’atomo
-Sulla base di queste considerazioni si presentò dapprima il
problema di stabilire il numero degli elettroni esistenti negli
atomi degli elementi chimici conosciuti e di vedere poi come le
cariche, equamente bilanciate, erano distribuite nell’edificio
atomico. Nei primi anni del XX secolo furono ideati vari modelli
che, pur riuscendo a interpretare qualche risultato
sperimentale erano incompleti e approssimati, soprattutto
perché ogni modello era fondato solo sulla fisica classica. Il
modello di Thompson raffigurava l’atomo come una sfera
materiale di raggio r= 10-10 m
La fisica atomica
-. Mentre la carica positiva, distribuita e diluita più o meno
uniformante occupava tutta la sfera , gli elettroni, in numero
tale da equilibrare la carica positiva dell’elemento
considerato erano disseminati nella materia positiva come,
l’uva di un panettone. Gli elettroni rimanevano in uno stadio
di equilibrio nell’interno dell’atomo, in quanto erano soggetti
ad un sistema di forze attrattive verso il centro dell’atomo,
corrispondente al centro di simmetria della carica positiva,
sia le mutue forze di repulsione, pure di natura elettrostatica
agenti tra le cariche negative.
La fisica atomica
-Secondo il modello di Thomson quando la materia acquista
energia, gli atomi vengono eccitati e gli elettroni incominciano
a vibrare come tanti oscillatori emettendo onde
elettromagnetiche la cui frequenza è direttamente correlata
con la frequenza delle particelle oscillanti.(Fine)
La fisica atomica
Il modello di Rutherford
Se si lancia una palla contro un ostacolo, da come essa
rimbalza e dagli spostamenti della sua traiettoria si
possono trarre interessanti conclusioni sull'architettura
dell'ostacolo stesso. Se la palla incontra per esempio una
superficie liscia e rigida rimbalzerà indietro con
veemenza, secondo un certo angolo; se l'ostacolo,
invece, fosse una rete dondolante, la palla non
rimbalzerebbe, ma cadrebbe nel punto d'incontro; se la
parete fosse sforacchiata la palla potrebbe passare oltre
senza rimbalzare.
La fisica atomica
Rutherford pensò di sfruttare proprio questo principio allo
scopo di studiare la composizione degli atomi. Egli avrebbe
lanciato le particelle a (atomi di elio privi dei due loro
elettroni; vengono emesse da alcune sostanze radioattive
con una velocità di 107 m/s, sicché possono attraversare
sottili strati di materia) come proiettili contro un nutrito
gruppo di atomi e sarebbe stato a vedere in che modo essi
avrebbero risposto.
La fisica atomica
Per prima cosa, aveva bisogno di una adeguata palestra
per questo eccezionale tiro al bersaglio; poi gli occorreva
un "cannone" che sparasse i "proiettili" adatti; infine
doveva provvedere al bersaglio ed al sistema di
osservazione. Ed ecco come Rutherford costruì il primo
"campo di tiro atomico" della storia.
Prese un campione di radio, lo rinchiuse in una capsula di
piombo, munita di un piccolo foro. Le particelle Alfa
sparate dal radio a grande velocità e quindi dotate di una
notevole forza d'urto sarebbero passate dal foro in linea
retta. Poi sistemò tutto dentro un bulbo di vetro, dal
quale pompò via l'aria.
La fisica atomica
Infine pose dinanzi alla capsula che funzionava da
"cannone" atomico, uno schermo fluorescente applicato
ad un microscopio.
Sullo schermo, nel punto colpito dalle particelle Alfa,
apparve agli occhi dello scienziato un vivace scintillio. Era
il segnale che i proiettili sparati dal radio arrivavano
proprio in linea retta e che lungo il cammino non avevano
incontrato alcun ostacolo. Era la prova del tiro.
L'osservatorio si dimostrava buono; non mancava che il
bersaglio.
La fisica atomica
Rutherford pensò che un buon ostacolo per i suoi proiettili
sarebbero stati gli atomi d’oro. Questi infatti mostravano un
peso ben 197 volte maggiore di quelli dell'idrogeno perciò
potevano considerarsi abbastanza consistenti da deviare e
respingere i proiettili Alfa del "cannone" atomico.(Fine)
La fisica atomica
Essendo sorte diverse questioni circa il modello di
Rutherford ci si chiedeva se si dovesse abbandonare tale
modello, ma questo non era giustificabile dal momento che,
per i fenomeni che si sono visti il modello si presentava
perfettamente valido, oppure rinunciare alle leggi classiche
della meccanica e dell'elettromagnetismo. In questo
secondo caso si stava verificando una frattura che in un
altro momento storico la scienza aveva sanato. Cioè: la
teoria della gravitazione aveva eliminato con Newton la
scissione, di derivazione aristotelica, tra fisica celeste e
fisica terrestre; ora lo studio del microcosmo atomico
riproponeva una frattura tra leggi macroscopiche e leggi
atomiche. Il matrimonio fu realizzato da Niels Bohr.
La fisica atomica
In una "memoria" al Consiglio Solvay, Bohr presentò la sua
teoria quantistica dell'atomo che si rifaceva al modello
atomico di Rutherford, ma con qualche nuova ipotesi. Prima
di tutto, Bohr collegò la nozione di quanto di energia con il
movimento rotatorio degli elettroni intorno al nucleo. Un
atomo si deve trovare in dati livelli energetici (o stati
quantici) che ne spieghino la sua stabilità. Se l'atomo si trova
in uno di questi livelli, non emette energia. Emette un
"quanto" di energia solo quando passa da uno stato di
energia maggiore a uno minore (la differenza tra queste due
energie è pari al quanto emesso).
Quando l'atomo è colpito da una radiazione di una certa
frequenza, assorbe un quanto di energia e passa da un
livello energetico inferiore a uno superiore.Il modello di
Rutherford subiva quindi quattro modifiche essenziali:
prima di tutto, per rispettare l'ipotesi di partenza,
l'elettrone non può ruotare intorno al nucleo su orbite
qualsiasi ma su orbite fisse privilegiate, corrispondenti ai
vari livelli di energia; in secondo luogo, se l'elettrone
persiste nel ruotare su queste orbite privilegiate non
emette energia;
l'elettrone può saltare spontaneamente da un livello
all'altro; infine, la frequenza della radiazione emessa o
assorbita nel salto è legata al "quanto" da una certa
formula.Bohr era riuscito a rendere conto sul piano teorico
di quella stabilità degli atomi che il modello di Rutherford
non forniva; in più spiegava anche la costanza degli spettri
emessi dalle varie sostanze, cioè dai vari "edifici atomici".
Nello spettro si trovano tutte le frequenze consentite per i
vari tipi di atomi, perché in ogni atomo gli elettroni si
trovano a certi livelli energetici tipici e consentiti per ogni
elemento.(Fine)
I ragazzi di via Panisperna
Con l'aiuto morale e materiale di Orso Mario
Corbino,importante scienziato italiano, Fermi
riunì nell'Istituto di Fisica di via Panisperna a
Roma, un gruppo di Giovani laureati: fra i teorici
ricordiamo Ferretti, Majorana e Wick; fra gli
sperimentali Ageno, Rasetti, Amaldi,Pontecorvo,
E. Segre’.
Guidati dalla straordinaria personalità scientifica
di Fermi, "i ragazzi di via Panisperna", come
furono chiamati i fisici che dal 1927 al 1938
lavorarono presso l'Istituto romano, riuscirono in
pochi anni a portare la scuola di fisica italiana al
livello dei più prestigiosi centri di ricerca europei
e americani
I ragazzi di via Panisperna
Ettore Majorana
Emilio Segrè
Enrico Fermi
Edoardo Amaldi
Alcuni elementi del gruppo…
Ettore Majorana:
Allievo di Enrico Fermi, elaborò una teoria basata sulle forze di
scambio tra protoni e neutroni nel nucleo atomico, ricordata
nei manuali come teoria di Majorana (Weiner) Heinseberg.
Compì anche ricerche sperimentali volte a verificare la
gravitazione universale. Per far questo, costruì una bilancia in
grado di misurare la variazione di peso di una parte su un
miliardo.
Ettore Majorana
Altri invece hanno parlato di una che i suoi lavori sarebbero
stati utilizzati per costruire la bomba atomica.
Fu nominato, nel 1937, a soli 31 anni, professore di fisica
teorica all'Università di Napoli.
Scomparve misteriosamente pochi mesi dopo, dopo aver
lasciato due lettere nelle quali esprimeva l'intenzione di togliersi
la vita; per questo, alcuni parlano di suicidio in quanto convinto
convinto che i suoi lavori sarebbero stati utilizzati per costruire
la bomba atomica.
Altri invece hanno parlato di una semplice fuga in Sud Africa.
Segrè
Laureatosi a Roma nel gruppo Fermi, collaborò alle
fondamentali ricerche sulla fisica del neutrone (radioattività
indotta, neutroni lenti). Dal 1936 al 1938 fu professore
presso l'Università di Palermo, dove isolò il tecnezio, il primo
elemento artificiale. Rifugiatosi a causa delle cosiddette
leggi razziali negli Stati Uniti (dove prese la cittadinanza nel
1944), partecipò al progetto Manhattan per la realizzazione
delle prime armi nucleari.
Segrè
Nel dopoguerra le sue ricerche riguardarono problemi di
fisica nucleare e di fisica delle particelle elementari. Nel
1955, con O. Chamberlain, scoprì l'antiprotone tra i prodotti
dell'interazione protone-nucleone ad altissima energia; per
questa scoperta gli fu conferito il premio Nobel per la fisica.
Edoardo Amaldi
Laureatosi a Roma nel gruppo Fermi, collaborò alle
fondamentali ricerche sulla fisica del neutrone
(radioattività indotta, neutroni lenti). Dal 1937 ricoprì la
cattedra di Fisica Sperimentale a Roma.
Nel dopoguerra ha svolto un ruolo determinante nella
costituzione in Italia dell'Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare (INFN) e in Europa del Conseil Européen pour
la Recherche Nucléaire (CERN).
Edoardo Amaldi
Ha dato notevoli contributi anche allo studio delle
particelle elementari (nei raggi cosmici e con l'impiego
di macchine acceleratrici) e ha infine promosso la
ricerca delle onde gravitazionali
Enrico Fermi
Enrico Fermi nacque a Roma nel 1901; fin dai primi anni della
giovinezza fu attratto dallo studio della matematica e della fisica.
Superato brillantemente il liceo, fu ammesso alla Scuola Normale
di Pisa dove si laureò in fisica nel 1922. Tornato a Roma iniziò
un'intensa attività di ricerca presso l'Istituto di Fisica dell'Università,
allora diretta da O.M. Corbino, eminente uomo politico e scienziato
di chiara fama.
Enrico Fermi
Corbino si rese subito conto delle eccezionali qualità di Fermi,
e, nell'intento di far rinascere gli studi di fisica in Italia, riuscì a
far istituire a Roma la prima cattedra di Fisica Teorica sulla
quale chiamò, verso la fine del 1926, il non ancora
venticinquenne Fermi che aveva vinto l'apposito concorso.
FERMI E LA PILA ATOMICA
Enrico Fermi entrò a far parte del progetto Manhattan
(MED) fin dall'inizio, nel 1942; chiamato dal coordinatore
del progetto, Robert Oppenheimer, arrivò a Los Alamos
quando ancora era in costruzione.
Da allora si dedicò assieme ad un’ équipe di scienziati
famosi in tutto il mondo (Bohr, Weisskopf, Fermi, Wigner,
von Neumann, Frisch, Teller, Segrè, Chadwick, Fuchs e
altri ancora) alla ricerca sperimentale per la costruzione
della bomba atomica.
Le prime ricerche condotte da Fermi e il suo gruppo,
mirarono soprattutto ad assicurare le condizioni
necessarie per la produzione di energia dal processo di
fissione nucleare.
FERMI E LA PILA ATOMICA
In base agli studi effettuati, Fermi fu in grado di
realizzare la macchina in cui si produsse per la prima
volta una fissione nucleare, caratterizzata da una
reazione a catena controllata e capace di automantenersi; prototipo dei futuri reattori nucleari, la
famosa "pila atomica" era un reattore a uranio e grafite
sovrapposti in "pila", eretto su un campo da gioco e
sostenuto da una struttura in mattoni; essa entrò in
funzione a Chicago il 2 dicembre 1942.
Per il fisico ungherese, Leo Szilard, che tanto aveva fatto
per dare avvio al progetto Manhattan e che con Fermi
era responsabile dell’esperimento, quel successo fu "un
giorno che sarebbe passato alla storia dell’umanità come
una giornata nera".
FERMI E LA PILA ATOMICA
Il primo passo era compiuto; per il Progetto Manhattan
rimaneva ancora da risolvere l'arricchimento della
disponibilità del materiale fissile occorrente per tentare
l'esperimento di reazione a catena non frenata:
l'esplosione di una bomba atomica. Non passò comunque
molto tempo……