2. La scoperta del neutrone

di G. Batignani

La scoperta del neutrone non si sarebbe tuttavia potuta realizzare se Bothe e Becker nel 1930 non avessero notato che particelle alfa emesse dal Polonio, incidendo su Berillio, non producevano una radiazione capace di superare 200 mm di Piombo (figura 4).

La radiazione doveva essere neutra, perché nessuna particella carica, che avesse avuto a disposizione tutta l'energia prodotta nella reazione, avrebbe potuto superare più di 1 mm di piombo.

 Sul momento venne ipotizzato che tale radiazione fosse un fotone (la cui massa è nulla e che è normalmente identificato dal simbolo γ), che a quel tempo era l'unica particella neutra conosciuta.

Inoltre poco dopo Irene Joliot-Curie (figlia di Marie Curie ) osservò che, inserendo un blocco di paraffina sulla traiettoria della radiazione neutra, si producevano dei protoni (figura 5). Infine un collaboratore di Rutherford, James Chadwick , ricordando l'ipotesi del maestro sull'esistenza di un "neutrone", effettuò un esperimento fondamentale per verificare se la misteriosa radiazione potesse non essere un fotone, bensì un "neutrone" con una massa circa uguale a quella del protone.

L'esperimento, in uno schema di principio (figura 6), differisce dai precedenti per il rivelatore proporzionale che è in grado, registrando la corrente prodotta dai protoni, di fornire una misura della loro velocità.

Era infatti noto che l'energia cinetica di ogni singolo quanto (identificato con ? in figura 5 e con n in figura 6) della radiazione incidente era circa 14 MeV (14 milioni di elettron-Volt ).

Un semplice calcolo permette di concludere, nel caso in cui i protoni siano emessi nella stessa direzione della radiazione incidente (come è mostrato nelle figure 5 e 6), che: 1) se la misteriosa radiazione avesse massa nulla (ipotesi di fotone) => la velocità dei protoni emessi sarebbe pari a circa il 3% della velocità della luce; 2) se la misteriosa radiazione avesse massa circa uguale al protone (ipotesi di neutrone) => la velocità dei protoni emessi sarebbe pari a circa il 17% della velocità della luce.

 Il risultato 2) si può ottenere in modo abbastanza intuitivo. Infatti se si fa urtare un oggetto (per esempio una moneta) su un'altro oggetto identico, ma fermo, e se la velocità è esattamente allineata con la congiungente dei centri dei due oggetti (urto "centrale"), si può osservare che il primo si ferma, mentre il secondo si mette in moto con la stessa velocità che aveva l'oggetto incidente (figura 7, in alto).

Nell'esperimento di Chadwick l'energia cinetica della particella incidente (E = 14MeV ) viene tutta trasferita al protone, e poiché E = MV²/2 , si può quindi ricavare che la velocità dei protoni debba essere 0.17c. La previsione 1) si può invece ottenere tramite l'uso delle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto : è un calcolo un po' più complesso e riportato all'interno della figura 8. In ogni caso, il risultato dell'esperimento di Chadwick fu univoco: la misteriosa radiazione faceva espellere dalla paraffina protoni di velocità pari a circa il 17% della velocità della luce e quindi era dimostrata l'esistenza di una particella neutra presente all'interno dei nuclei, di massa circa uguale a quella del protone... e con questo l'esistenza del neutrone fu accertata! Per concludere l'argomento "nucleoni" è opportuno ricordare che sono stati scoperti anche "anti-nucleoni" (costituenti dell'anti-materia ): l'antiprotone e l'antineutrone. Gli antinucleoni hanno la stessa massa e le stesse proprietà dei nucleoni ordinari, ma sono caratterizzati, principalmente, da carica elettrica opposta. La scoperta è avvenuta nel 1955 da parte di un piccolo gruppo di fisici guidati da Emilio Gino Segrè e da Owen Chamberlain , vincitori del premio Nobel per la fisica nel 1959. Non entro nelle tematiche sperimentali di questo argomento, che è un tema estremamente affascinante, sia per le profonde implicazioni teoriche, sia per l'ingegnosità delle tecniche sperimentali utilizzate. Desidero solo citare il fatto che, fra gli scopritori dell'antiprotone, c'era - allora giovanissimo - un fisico che ho poi avuto il piacere di conoscere personalmente: si tratta di Tom Ypsilantis , e che è stato un maestro nello sviluppo di tecniche sperimentali che ancora oggi sono fondamentali in fisica delle particelle.