Hofstadter, Robert

Robert Hofstadter nasce il 5 febbraio 1915, New York

Biografia della rubrica “Vita da genio” a cura di Chiara Oppedisano

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Nel 1908 Ernst Rutherford aveva inaspettatamente scoperto l’esistenza del nucleo all’interno degli atomi, bombardando un sottile foglio d’oro con particelle alfa (composte da 2 protoni e due 2 neutroni). Una quarantina di anni dopo, Robert Hofstadter utilizzò elettroni di alta energia per bombardare i nuclei e studiarne la struttura. Raccogliendo l’eredità scientifica di Rutherford, Robert (Bob per i colleghi) sfruttò le sue capacità sperimentali e le possibilità che la tecnologia gli offriva per studiare neutroni e protoni nei nuclei e scoprire che non erano particelle elementari ma avevano una loro struttura. Queste scoperte gli valsero il premio Nobel nel 1961.

Robert nacque a Manhattan, New York il 5 Febbraio del 1915 in una famiglia comune, il padre era rivenditore di sigarette. Frequentò le scuole pubbliche e poi il City College di New York, dove si diplomò ottenendo la lode nel 1935 e ricevendo anche il rinomato premio Kenyon per la matematica e la fisica, discipline nelle quali eccelleva. La General Electrical Company gli assegnò una borsa di studio che gli permise di iscriversi all’Università di Princeton. Iniziò gli studi certo di voler diventare un fisico teorico, ma fin dal primo anno iniziò a “smanettare” in laboratorio, occupandosi di misure di spettri infrarossi di molecole, imparando a utilizzare una camera a nebbia e innamorandosi così delle possibilità, delle sfide e delle soddisfazioni che la fisica sperimentale gli offriva. Conseguì il Ph.D. nel 1938 con un lavoro sul legame a idrogeno.

Quell’estate fu invitato ai General Electric Laboratory per studiare la conduttività luminosa della willemite (un minerale con proprietà di fluorescenza a quei tempi utilizzato negli schermi delle televisioni). Tornò nell’autunno a Princeton con una prestigiosa borsa Procter per proseguire il suo lavoro di ricerca. Collaborando con Robert Herman scoprì che alcuni cristalli possono sviluppare una corrente di riscaldamento che dimostrava l’esistenza di stati trappola in questi cristalli. Nel 1939 Frederick Seiz, ricercatore a Princeton appena assunto all’Università della Pennsylvania, lo invitò a raggiungerlo per approfondire questi studi in fisica dello stato solido. Robert si trasferì in Pennsylvania, ma preferì cambiare ambito, unendosi al gruppo che stava costruendo un acceleratore di Van Der Graaf. Durante questo periodo Robert incontrò Leonard Schiff, che sarebbe poi diventato direttore del Dipartimento di Fisica a Stanford, nonché suo amico e collega.

Nel 1941 con l’entrata in guerra degli Stati Uniti, Robert lavorò prima presso il National Bureau of Standards e poi alla Norden Laboratory Corporation, studiando metodi di innesco e radar per altimetria.

Al termine della guerra tornò a Princeton come assistente al Dipartimento di Fisica e Astronomia, iniziando a studiare metodi di rivelazione di raggi gamma, ovvero fotoni. Unendo le sue conoscenze di stato solido all’utilizzo di materiali scintillanti per la rivelazione di fotoni, sviluppò un rivelatore utilizzando un alogeno alcalino, lo ioduro di sodio (NaI), invece dei cristalli organici allora comunemente utilizzati. Scoprì che aggiungendo una piccolissima percentuale di tallio (Tl) si poteva aumentare significativamente l’efficacia di rivelazione dei raggi gamma. Nel 1948 brevettò la sua scoperta per la rivelazione di radiazione ionizzante. Come dichiarò in seguito, dopo l’attribuzione del premio Nobel, Robert era convinto che la scoperta della fluorescenza dei cristalli di NaI(Tl) costituisse il suo maggior contributo alla scienza.

In effetti qualche anno più avanti le sue competenze su questo tipo di rivelatori lo portarono a elaborare un metodo per effettuare angiografie poco invasive. Il metodo consisteva nell’iniettare nel paziente una piccola dose di un agente di contrasto a base di iodio, che in breve raggiunge il cuore permettendo di ottenere un immagine molto ben definita del sistema delle arterie. Nel 1984 sarà eletto membro dell’Institute of Medicine per i suoi contributi in fisica medica.

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 Robert Hofstadter a Stanford vicino a uno degli apparati sperimentali da lui progettato e costruito.

Il potenziale dei nuovi rivelatori a scintillazione e le indubbie capacità di Hofstadter suscitarono interesse, arrivarono così proposte di lavoro da Berkeley e da Stanford. Nell’Agosto del 1950 Robert si mise in viaggio per attraversare gli Stati Uniti diretto a Stanford, dove il suo amico Leonard Schiff dirigeva il Dipartimento di Fisica. Inizialmente Robert collaborò con Jack McIntyre per estendere l’utilizzo degli scintillatori allo studio di radiazione X, neutroni, particelle alfa e muoni.

Ma proprio in quel periodo a Stanford era in costruzione il primo acceleratore al mondo per elettroni di alte energie, il Mark III. Questa macchina diede a Robert l’opportunità di effettuare esperimenti all’avanguardia. Decise quindi di usare gli elettroni di alta energia forniti dall’acceleratore (inizialmente a 180 MeV, poi a 400 MeV e 600 MeV) per studiare la struttura del nucleo e dei suoi componenti, il neutrone e il protone. Robert dovette mettere in campo tutte le sue competenze per poter ottenere dei risultati precisi e significativi. Progettò il magnete che gli sarebbe servito per selezionare e focalizzare gli elettroni dell’energia opportuna, del peso di 2.5 tonnellate. Riuscì a costruirlo grazie a un cospicuo finanziamento che ottenne dall’Ufficio di Ricerca Navale. Gli elettroni venivano poi fatti incidere su un bersaglio nucleare posto sotto vuoto e studiando l’angolo con cui venivano deflessi, Robert misurò il raggio dei nuclei, stabilendo che il protone non era un oggetto puntiforme ma il suo raggio era di circa 0.75 fm ovvero 0.75 x 10-15 m.

Per investigare il nucleo su scale ancora più piccole, erano necessarie energie maggiori che furono ben presto disponibili all’acceleratore di Stanford. Tuttavia particelle di energia maggiore necessitano anche di campi magnetici più intensi per essere deviate. Quando l’acceleratore raggiunse l’energia di 1 GeV, Robert fece costruire un magnete di 200 tonnellate! Ma la sfida tecnologica non aveva riguardato soltanto il magnete ma anche i sistemi di controllo del fascio di elettroni e della sua estrazione in condizioni ottimali per l’esperimento. Robert non si era mai perso d’animo di fronte alle nuove sfide: se serve energia maggiore, allora si costruirà un magnete più grande!

Nel 1961 gli fu attribuito il Nobel “per i suoi studi pionieristici sullo scattering di elettroni su nuclei atomici e per le scoperte così raggiunte sulla struttura dei nucleoni”.

Tornò in seguito a occuparsi dei suoi amati rivelatori di particelle cariche e di radiazione di alta energia, partecipando attivamente alla ricerca e allo sviluppo di cristalli per la rivelazione dell’energia rilasciata dalle particelle al loro interno. Fu uno dei responsabili del telescopio EGRET, progetto della NASA, per lo studio della radiazione gamma di alta energia, lanciato a bordo del Compton Gamma Ray Observatory il 5 Aprile del 1991, solo qualche mese dopo la scomparsa di Robert Hofstadter nel Novembre 1990. EGRET ha fornito una conoscenza approfondita del cielo nella radiazione gamma e ha svelato segreti su fenomeni affascinanti ed estremi come i gamma-ray bursts. 

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 Il telescopio EGRET (la cupoletta più in basso) a bordo dell’osservatorio spaziale Compton.

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La mappa del cielo a raggi gamma (per energie maggiori di 100 MeV) fornita dalle osservazioni di EGRET.

Robert Hofstadter amava molto anche l’insegnamento: era molto apprezzato dai suoi studenti per la meticolosità delle dimostrazioni e la sua chiarezza.

Nella vita privata era un amante e profondo conoscitore musica jazz, passione che condivideva con una vicina di casa, Nancy Givan, che nel 1942 divenne sua moglie. In California i coniugi Hofstadter, con i loro 3 figlioletti, avevano acquistato un ranch, dove, durante il weekend, Robert si trasformava in un instancabile agricoltore ed allevatore.

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