Breve storia della fisica delle particelle

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Breve Storia della Fisica delle particelle

L'elettrone, prima particella
 

Cinque secoli prima di Cristo, un ricco viaggiatore greco fondò la teoria atomica. Democrito, questo genio vide nella materia un insieme di particelle dotate di massa, eterne e incomprimibili, così piccole da essere indivisibili, capaci di formare combinazioni variabili per numero, forma e dimensioni. Già si disegnava l'idea della conservazione di una sostanza eterna, della discontinuità della materia e dell'esistenza del vuoto. Il poeta romano Lucrezio raffinerà questi pensieri in splendidi esametri, aggiungerà la nozione di un movimento incessante e casuale di questi corpuscoli, di un turbinare incoerente che chiamerà clinamen. Empedocle ed Epicuro difesero la teoria del discontinuo, e così Pitagora, il quale pensava che la luce fosse costituita da particelle emesse dai corpi luminosi: primo passo verso la teoria dell'emissione.
Ma non bisogna considerare queste idee come geniali intuizioni, perché l'ipotesi della materia discontinua era soltanto una congettura non sostenuta da alcuna esperienza, valida cioè quanto poteva esserlo la teoria del continuo, sviluppata nello stesso periodo da Eraclito e dagli Eleatici. L'unica differenza tra le due teorie è il fatto che la prima ebbe la fortuna di riuscire; infatti, se Democrito era un buon filosofo, era anche, come del resto Aristotele e molti altri filosofi dell'antichità, un cattivo fisico.
Fu dunque per mancanza di prove che l'idea del continuo dominò nei secoli successivi, nell'oscuro Medioevo come nel brillante Rinascimento, l'ipotesi del discontinuo tornò infatti ad affacciarsi soltanto molto più avanti, con i primi studi sui movimenti browniani (R. Brown, 1827), ma fu ancora necessario attendere i lavori di Wiener, Delsaux e Carbonelle per giungere, dal 1863 al 1895, alla teoria molecolare che considera i gas e i fluidi apparentemente a riposo come sede di movimenti incessanti dei corpuscoli che li compongono. Infine si giunge all'ipotesi di Avogadro (masse gassose che, alla stessa temperatura e alla stessa pressione, occupano volumi uguali contengono lo stesso numero di molecole) e alla misura del numero di Avogadro, eseguita da van der Waals nel 1875 (Una grammo-molecola contiene 6 * 1023 molecole, dove una grammo-molecola di ossigeno pesa 32 grammi). Solo dopo la scoperta dell'elettricità la storia cominciò a precipitare a ritmo incalzante.
Joseph John Thomson (1856-1940)
Durante gli studi sulle scariche elettriche, che venivano prodotte entro ampolle di vetro nelle quali era stato fatto un vuoto approssimativo (tubi di Crookes), nel 1880 furono per la prima volta messi in evidenza i raggi catodici. Questi raggi, di natura ancora sconosciuta e detti catodici in quanto provenienti dal catodo (elettrodo negativo), generavano una luminescenza sullo schermo posto all'estremità del tubo di Crookes e producevano anche effetti elettrici in quanto erano in grado di scaricare degli elettroscopi. Nel 1895 J. Perrin riuscì a dimostrare che i raggi catodici erano costituiti da particelle elettrizzate in movimento. Il passo successivo fu compiuto da J.J. Thomson il quale in un celebre esperimento riuscì a dimostrare che le particelle costituenti i raggi catodici venivano deviate da campi elettrici e da campi magnetici e a misurare il rapporto e / m  tra la loro carica e la loro massa. Nasceva così l'elettrone (il nome è dovuto a Stoney), la prima particella elementare, che si suole indicare con il simbolo e- (o semplicemente con e).
 

L'apparecchio con cui J.J. Thomson riuscì a misurare il rapporto e/m dell'elettrone. A lato, uno schema indica come gli elettroni, emessi dal catodo C, sono accelerati tra A e B, deviati in E da un campo elettrico e osservati in P su uno schermo fluorescente.

Esperienze simili erano già state tentate, ma senza successo: il vuoto nelle ampolle di vetro, infatti, non era abbastanza spinto.

La celebre esperienza di Millikan del 1910 permise di misurare la carica elettrica dell'elettrone studiando l'equilibrio di goccioline d'olio elettrizzate, sospese tra i piatti di un condensatore.
 
La radioattività naturale
 
Una sera del 1896, Henry Becquerel, figlio e nipote di scienziati, lasciò alcune lastre fotografiche in fondo a un cassetto: questa dimenticanza segnò la nascita dell'era atomica. Nonostante l'oscurità e il foglio metallico che le ricopriva, le lastre si annerirono; chiunque le avrebbe buttate via ma Becquerel, meravigliato dallo strano fenomeno, cercò di trovarne le cause e finì per scoprire nel cassetto la presenza di sali di uranio che lui stesso vi aveva riposto alcuni giorni prima. Becquerel riuscì a risolvere il problema supponendo che dall'uranio dovevano essersi sprigionati raggi molto penetranti che erano riusciti a impressionare le lastre fotografiche dopo aver attraversato il foglio metallico di protezione.
  Henri Becquerel (1852-1908)
Dopo la scoperta di Becquerel parecchi ricercatori si dedicarono allo studio di questi raggi penetranti per cercare di scoprirne la natura e l'origine. Nel 1899 Giesel e Meyer riuscirono a dimostrare che tra questi raggi alcuni erano elettricamente carichi; l'anno successivo lo stesso Becquerel, Marie Curie e Villard scoprirono che erano presenti anche dei raggi neutri. Una terza radiazione di tipo corpuscolare e con carica doppia di quella dei raggi di Giesel e Meyer fu messa in evidenza da Rutherford che la indicò col la lettera α, attribuendo la lettera  β  alla radiazione scoperta da Giesel e Meyer e la lettera γ  a quella scoperta da Becquerel-Curie-Villard. Identificando il raggio  α come una particella, Rutherford nel 1903 arrivò alla conclusione, con Soddy, che la radioattività è il segno della disintegrazione del nucleo. Nel 1911 propose perciò un modello atomico in cui Z elettroni ruotano attorno a un nucleo che deve possedere una carica elettrica Ze affinché l'insieme sia elettricamente neutro. Ma cosa poteva essere questo nucleo? Da questa domanda nacque l'ipotesi del protone.
 
La scoperta del fotone
 
In seguito si scoprì che la particella alfa era un nucleo di elio composto da due protoni e da due neutroni, che il raggio beta era un elettrone e che il gamma era un quanto di radiazione elettromagnetica, il fotone, una specie di grano di luce, e questa scoperta fu difficile perché si scontrava con molti pregiudizi.
Da molto tempo si era capaci di ottenere frange di interferenza con la luce, cioè l'alternarsi di zone d'ombra e di luce che si possono osservare anche tra due dita accostate. Il fenomeno luminoso doveva quindi essere costituito da un'onda sinusoidale che si propaga nello spazio come le increspature delle onde sul mare, e  nel 1868 Maxwell ne definì il movimento con le più belle equazioni della fisica, considerando le vibrazioni luminose come un caso particolare di onde elettromagnetiche dalle quali si distinguono solo per la frequenza di oscillazione più elevata e quindi per la lunghezza d'onda più breve. Trovò anche teoricamente che la velocità di propagazione doveva essere identica per tutte, e definì così la più importante delle costanti fisiche, c, la velocità della luce nel vuoto (3 * 1010 cm/s). Fu però necessario attendere il 1890 perché Herz dimostrasse l'esistenza di onde radioelettriche non luminose.
Supponendo allora che i corpi sembrassero caldi in virtù dell'emissione di queste radiazioni in tutta la gamma delle frequenze possibili, visibili o invisibili, si tentò di applicare la teoria maxwelliana ma si giunse allo strano paradosso che tutto avrebbe dovuto essere ghiacciato. le più belle formule, sviluppate da Rayleigh e Jeans, non erano mai confermate dall'esperienza!
Max Planck (1858-1947)
Fu nel 1900 che Max Planck ebbe infine la grande idea che l'emissione di queste onde non fosse continua, ma che avvenisse a sprazzi, per una piccola quantità che chiamò "quanto". L'energia E portata da un tale quanto di radiazione elettromagnetica emesso dalla vibrazione degli elettroni del corpo caldo era direttamente legata alla frequenza dell'onda portante dalla formula fondamentale  E = h ν, nella quale h è una costante molto piccola che è la chiave di volta di tutta la meccanica quantistica con il nome di costante di Planck (h = 6,6 * 10-27 erg secondo, spesso indicata con (si legge h tagliato);   = h / 2 π  = 6,6 * 10-22 MeV  s).
Ma fu necessario aspettare ancora cinque anni perché Einstein nel 1905 riprendesse i lavori di Planck e precisasse che il flusso della radiazione luminosa non è altro che la somma dei corpuscoli il cui numero determina l'intensità.
Einstein studiò l'effetto fotoelettrico, ipotizzato da Herz e misurato da Lenard nel 1900. In questo esperimento, un fascio di luce ultravioletta proveniente da una lampada incide su un metallo (o un gas) e ne strappa degli elettroni che possono essere estratti mediante un potenziale elettrico positivo che li attiri. Contando questi elettroni ci si accorse che all'aumentare dell'intensità della lampada non aumentava la loro energia ma soltanto il loro numero: ciò confermava che ogni elettrone era espulso dall'urto di un singolo corpuscolo, da una specie di grano di luce che fu chiamato fotone.
  Maria Sklodowska Curie (1867-1934)
Il fotone, quanto di energia elettromagnetica, fu considerato dapprima come il "grano" di luce, fu poi identificato con il raggio γ  scoperto da Becquerel-Curie-Villard e quindi con il raggio X, radiazione molto penetrante e fortemente ionizzante che era stata messa in evidenza da W. Roentgen nel 1895 bombardando una placca (anticatodo) con i raggi catodici prodotti da un tubo di Crookes. Ancora oggi, nonostante sia chiaro che la natura del fotone è unica, resta nel linguaggio la distinzione tra i vari "tipi" di fotone, distinzione che dipende dalla loro origine e dalla loro energia; in ordine di energia crescente, fotoni propriamente detti sono i quanti di luce visibili, raggi X sono i quanti di radiazione elettromagnetica invisibili e di elevato potere penetrante, raggi γ  sono i quanti di radiazione elettromagnetica invisibili molto penetranti emessi dai corpi radioattivi. Fotoni di energia ancora maggiore (raggi γ) sono prodotti negli acceleratori e nella radiazione cosmica.
Così grazie ai lavori di Maxwell, di Planck e di Einstein, si cominciava a pensare che la luce, per quanto fosse un'onda capace di dare luogo all'interferenza, si comportasse anche come un corpuscolo e, nonostante questo profondo mistero, nessuno poteva negare che il fotone gamma fosse una particella che trasportava un'onda. La prova definitiva si ebbe nel 1925 con l'effetto Compton.
Le lunghezze d'onda di queste diverse radiazioni elettromagnetiche sono dell'ordine del centimetro per le onde radioelettriche corte, di 10-5 cm per la luce visibile, di 10-6 per l'ultravioletto e i raggi X molli, di 10-9 per i raggi gamma e può raggiungere i 10-22 per i fotoni di grande energia.
 
 
 

a cura di Pio Passalacqua 

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