Fisica del XX secolo

1. Fisica del XXsecolo La fisica atomica I ragazzi di via Panisperna Fermi e la pila atomica

2. La fisica atomica Modelli atomici Modello di Thomson Modello di Rutherford Modello di Bohr

3. 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 Thomson

4. 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= 10-10m Thomson

5. 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. Thomson

6. 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) Thomson

7. 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. Rutherford

8. 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. Rutherford

9. 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. Rutherford

10. 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. Rutherford

11. 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) Rutherford

12. 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. Bohr

13. 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 conqualche 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 unodi 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). Bohr

14. 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; Bohr

15. 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) Bohr

16. 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

17. I ragazzi di via Panisperna Ettore Majorana Emilio Segrè Enrico Fermi Edoardo Amaldi Alcuni elementi del gruppo…

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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).

23. 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

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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 auto-mantenersi; 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".

28. 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……