Fermi ed i ragazzi di via Pamisperna

Come sappiamo , nell’atomo di un qualsiasi elemento vi è un nucleo carico positivamente, circondato da una nube di elettroni carichi negativamente . Gli elettroni possono essere staccati facilmente dall’atomo al quale appartengono . E’ estremamente difficile ottenere modificazioni nel nucleo dove si trovano neutroni e protoni . Per cambiare la natura del nucleo bisogna bombardarlo con particelle ad alta velocità come protoni o raggi . Quando il nucleo dell’atomo assorbe la particella , si forma un atomo dell’elemento successivo . Se un protone o una particella vengono << sparati >> contro un nucleo , la repulsione coulombiana può essere così forte da impedirne l’avvicinamento , per cui , se il protone o la particella non sono dotati di sufficiente energia , la reazione nucleare non potrà avvenire . Per i neutroni il discorso è diverso in quanto , essendo privi di carica elettrica , non sono rallentati dalla repulsione coulombiana . La loro azione è tanto più efficace quanto più sono << lenti >> . Più un neutrone è lento e più si attarda nelle vicinanze del nucleo-bersaglio e di conseguenza aumenta la probabilità di essere catturato .

Per questo motivo i fisici nucleari , primo fra tutti Fermi , tentarono di trasformare i nuclei atomici di un elemento in nuclei atomici di altri elementi colpendoli con neutroni ( lenti ) . Iniziava così l’esplorazione del nucleo dell’atomo che avrebbe condotto alla scoperta della fissione nucleare . A questa straordinaria conquista diede un notevole contributo il grande fisico italiano Enrico Fermi ( ) che può essere considerato uno dei pochi scienziati del ventesimo secolo che ha saputo conciliare ricerche di tipo teorico e di tipo sperimentale , ottenendo in entrambi i settori risultati di grande valore . Nel , all’età di anni , Fermi vinse il concorso alla prima cattedra di fisica teorica presso l’università di Roma . Nel periodo che va dal al , il più fecondo della sua carriera , raccolse attorno a sé nell’istituto di fisica di via Panisperna un gruppo di giovani laureati , sia teorici che sperimentali , di grande valore : Ettore Majorana , Ferretti , Segré , Amaldi , Rasetti , Pontecorvo e l’avellinese Oscar D’Agostino . Una citazione particolare spetta ad Ettore Majorana , fisico teorico di prima grandezza e matematico eccelso . Per la rapidità con la quale eseguiva i calcoli più complessi Majorana era considerato un vero fenomeno . Fermi diceva spesso che più bravo di lui c’era soltanto Ettore Majorana , detto lo << Spirito Santo >> per il quale nutriva una grande stima ed una sconfinata ammirazione . La sua scomparsa misteriosa dette adito alle più disparate interpretazioni . Non è da escludere che l’introverso scienziato , avendo intuito l’enorme potenza distruttiva che si celava all’interno dei nuclei degli atomi , abbia deciso di ritirarsi volontariamente in qualche eremo sperduto .

Nel 1934 i coniugi Joliot-Curie annunciarono la scoperta della radioattività naturale . L’alluminio ed altri elementi leggeri si trasformavano in sostanze radioattive se bombardate con particelle che sono nuclei dell’atomo di elio privato degli elettroni , cioè completamente ionizzati .

Sugli elementi aventi numero atomico elevato il bombardamento con le particelle non produceva alcun effetto . In verità il bombardamento dei nuclei con particelle presentava un forte inconveniente : la carica elettrica delle particelle è positiva come quella dei nuclei , sicché tra le particelle ed il nucleo esiste una forza repulsiva che impedisce il contatto tra il proiettile ed il bersaglio . Attivare nuclei pesanti è molto difficile perché la repulsione cresce con il numero atomico degli elementi bersagliati .

Dopo che i coniugi Curie erano riusciti ad ottenere isotopi artificiali bombardando con particelle nuclei stabili , Fermi ebbe la brillante idea di usare come proiettili i neutroni . Il presupposto , rivelatosi corretto ed estremamente utile , era che queste particelle , prive di carica elettrica , risultano molto più penetranti e ,quindi, più efficienti delle particelle . I mezzi utilizzati furono molto semplici . La sorgente di neutroni era costituita da una ampolla contenente del radon e del berillio metallico . Il rivelatore delle radiazioni era un contatore di Geiger . Fermi ed il gruppo da lui diretto bombardarono sistematicamente gli elementi di cui potevano disporre in ordine di numero atomico crescente .

.Il sistematico bombardamento degli elementi iniziò con l’idrogeno e proseguì con l’ossigeno , il litio , il berillio , il boro , il carbonio , l’azoto . Il contatore restò sempre << muto >> ; al nucleo colpito dai neutroni non era successo niente . Fermi ed i suoi “ ragazzi di via Panisperna “ ( Amaldi , Rasetti , Segré , Ettore Majorana ) non si persero d’animo ; anzi il gruppo venne integrato dall’esperto chimico avellinese Oscar D’Agostino ( che aveva già lavorato a Parigi coi coniugi Curie ) al quale fu affidato il compito di identificare gli eventuali elementi che si producevano . I primi risultati positivi si ottennero con il bombardamento dell’alluminio e proseguirono con tutti gli altri elementi che lo seguivano nella tavola periodica di Mendeleev . Gli esperimenti si intensificarono e venne accertato che i neutroni rallentati accrescevano la loro azione sui nuclei .

Le esperienze decisive si svolsero usando come “ rallentatore dei neutroni “ blocchi di paraffina oppure l’acqua contenuta nella fontana dei pesci rossi del giardino dell’Istituto di Fisica nella quale venivano immersi sorgente e bersaglio .

La serie dei bombardamenti proseguì fino al novantaduesimo elemento , l’uranio . Prima di allora il nucleo colpito si era tramutato in un nucleo il cui numero atomico era prossimo a quello del nucleo iniziale . Con l’uranio le cose cambiarono radicalmente .

Fermi ed i suoi collaboratori erano convinti che bombardando con i neutroni lenti i nuclei pesanti avrebbero ottenuto gli elementi <<transuranici>> i quali , essendo instabili , non si trovavano in natura . Il ragionamento di Fermi era il seguente . << Un nucleo pesante che assorbe un neutrone ed emette un elettrone si trasforma nell’elemento successivo del sistema periodico . Quindi bombardando l’uranio naturale , dovrei ottenere l’elemento con , cioè il primo elemento transuranico >> .

Noi oggi sappiamo che il risultato del bombardamento neutronico dell’uranio è la scissione del suo nucleo e non la creazione del primo elemento transuranico , il nettunio , come oggi viene chiamato . Fermi non comprese il nuovo fenomeno , ebbe qualche difficoltà ad individuare gli elementi prodotti dalla reazione nucleare e concluse affermando che tra gli elementi prodotti c’era almeno un elemento transuranico .

Questa interpretazione del fenomeno non era condivisa da tutti gli scienziati dell’epoca .

Se gli esperimenti condotti da Fermi possono ritenersi un successo , non possiamo dire altrettanto della loro iniziale interpretazione ; infatti Fermi ed i suoi collaboratori erano convinti di avere prodotto elementi transuranici mentre , in realtà , si erano imbattuti nel fenomeno della fissione nucleare , ignoto ai fisici dell’epoca .

Per le ricerche sui neutroni nel 1938 Fermi ebbe il premio Nobel per la fisica .

Gli esperimenti realizzati dal gruppo di Fermi furono successivamente ripresi e meglio analizzati dai chimici tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann e dalla fisica austriaca Lise Meitner , ebrea .

Otto Hahn e Fritz Strassmann preseguirono le ricerche senza Lise Meitner costretta , in quanto ebrea , a lasciare la Germania e verso la fine del 1938 riuscirono ad accertare con metodi chimici che tra i prodotti della reazione erano presenti un isotopo del Bario

( ) ed uno del Lantanio ( ) . Ma questi due elementi hanno rispettivamente e per cui , non solo non si trattava di elementi transuranici ma il risultato dell’esperimento non era spiegabile con nessuna delle reazioni nucleari allora conosciute . Nel 1939 due fisici austriaci Lise Meitner e Otto Frisch ebbero la giusta intuizione ed affermarono che il neutrone produceva la rottura del nucleo di uranio , spezzandolo in due nuclei aventi massa quasi uguale . Al fenomeno fu dato il nome di fissione nucleare .

Qualitativamente il processo di fissione nucleare può essere spiegato nella seguente maniera .

come un insieme di protoni e neutroni impacchettati in una regione di spazio avente forma sferica . Quando un neutrone penetra nel nucleo di uranio cede a questo la sua energia . Si genera un nucleo di uranio con un eccesso di energia che genera l’oscillazione del nucleo stesso . Se teniamo presente il modello a goccia di Bohr Wheeler , possiamo affermare che l’oscillazione del nucleo di uranio può determinare due globi collegati da un collo che si assottiglia e si allunga gradualmente fino alla loro separazione , causata dalla repulsione colombiana .

Contemporaneamente si liberano 2 o 3 neutroni la cui presenza non potrebbe essere giustificata all’interno dei due nuclei leggeri generati dalla scissione .

Nella reazione che determina la fissione dell’uranio negli elementi e si libera una energia pari a

Schema della reazione nucleare dell’ uranio :

Uno degli aspetti caratteristici della fissione nucleare è il valore enorme dell’energia che viene liberata .

Da dove proviene tutta questa energia ? Ovviamente non dal neutrone che dà inizio al processo di fissione , perché questo viaggia molto lentamente e quindi non possiede troppa energia . La risposta sta nel nucleo stesso dove risiede una enorme quantità di energia che vi rimane localizzata fino a quando l’arrivo dei neutroni non la libera . Se sommiamo le masse di tutti i frammenti prodotti nel processo di fissione e le confrontiamo con le masse del neutrone incidente e dell’atomo di uranio , troviamo che non coincidono : manca un po’ di massa che si è trasformata in energia . Tutto questo è in sintonia con quanto ipotizzato da Albert Einstein nella sua teoria della relatività ristretta : << la massa m si può trasformare in energia secondo la relazione >> .

Se nel processo di fissione c’è perdita di massa, questa va ritrovata sotto forma di energia .

La radioattività indotta , ottenuta bombardando i nuclei di uranio mediante neutroni era ipoteticamente ed erroneamente attribuita da Fermi alla creazione di due nuovi elementi transuranici inizialmente chiamati esperio ed ausonio e poi successivamente ribattezzati negli USA rispettivamente coi nomi di nettunio e plutonio .

Quindi Fermi non riconobbe il fenomeno della fissione nucleare ma intuì vagamente che qualcosa di strano era successo .

Nel 1939 Fermi ritornò sul fenomeno , lo studiò in tutti i suoi dettagli e ne diede la giusta interpretazione . Dopo il , trasferitosi definitivamente negli Stati Uniti , studiò non solo la scissione dell’uranio ma anche la possibilità di ottenere una reazione a catena . Il coronamento di queste ricerche fu la realizzazione a Chicago nel della prima pila atomica .

Nel 1934 Fermi scoprì che , bombardando con neutroni <<lenti>> i nuclei di alcuni elementi , si producono fenomeni di radioattività artificiale . Per questa scoperta , nel 1938 , gli venne assegnato il premio Nobel per la fisica .

Fermi ed i ragazzi di via Panisperna