L'ESPLORAZIONE DEL MICROCOSMO NEL XX SECOLO

DALLE RICERCHE SUI RAGGI CATODICI AL MODELLO STANDARD

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
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GLI ESPERIMENTI SUI RAGGI CATODICI

LA SCOPERTA DEI RAGGI X (1895)

LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA' NATURALE (1896)

LA SCOPERTA DELL' ELETTRONE (1897)

L'IPOTESI DI MAX PLANCK SULLA QUANTIZZAZIONE DELL'ENERGIA RADIANTE DEL CORPO NERO (1900)

LA TEORIA DELLA RELATIVITA' SPECIALE (O RISTRETTA) DI A. EINSTEIN

L'IPOTESI EINSTEINIANA DEI FOTONI CONSENTE DI SPIEGARE L'EFFETTO FOTOELETTRICO (1905)

LA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO (1911)

GLI ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE CON I RAGGI X E LO STUDIO DEI RETICOLI CRISTALLINI (1912-13)

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR-RUTHERFORD (1913)

L'IPOTESI ONDULATORIA DI DE BROGLIE (1924)

LA MECCANICA QUANTISTICA NON RELATIVISTICA DI SCHROEDINGER (1925)

IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG (1927)

LA SCOPERTA DELLO SPIN DELL'ELETTRONE (1927)

GLI ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE CON ELETTRONI (1927)

LA MECCANICA QUANTISTICA RELATIVISTICA DI DIRAC E L'IPOTESI DELL'ANTIMATERIA (1928)

L'IPOTESI DEL NEUTRINO DI WOLFGANG PAULI (1930)

LA SCOPERTA DEL NEUTRONE (1932)

GLI STUDI DI ENRICO FERMI SUI NEUTRONI(1934-1938)

LA SCOPERTA DELLA FISSIONE DELL'URANIO (1939)

DALLE RICERCHE SUI RAGGI COSMICI ALLA FISICA DELLE ALTE ENERGIE

LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELLA MATERIA : QUARK E LEPTONI

LE TRE GENERAZIONI DI QUARK E LEPTONI DEL MODELLO STANDARD

LE FORZE FONDAMENTALI DELLA NATURA ED I VETTORI DI FORZA DEL MODELLO STANDARD

DAL MODELLO STANDARD ALLE TEORIE DELLA GRANDE UNIFICAZIONE

L'IPOTESI DEL NEUTRINO DI WOLFGANG PAULI (1930)

L' esistenza del neutrino fu ipotizzata nel 1933 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli (Nobel 1945) per spiegare la variabilità dell'energia cinetica degli elettroni emessi dai nuclei soggetti al decadimento radioattivo di tipo b.
Pauli postulò l'esistenza di una particella priva sia di massa che di carica elettrica, per rendere conto del fatto che gli elettroni emessi sono caratterizzati da energie cinetiche comprese tra zero ed un valore massimo.
Ammettendo l'esistenza del neutrino, si giustifica per il decadimento b la validità dei principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto.
Infatti,se si postula che i neutrini vengano emessi con velocità opposte a quelle degli elettroni e con energie cinetiche tali che sommate a quelle degli elettroni diano un valore costante, si giustificano immediatamente le modalità osservate sperimentalmente per il decadimento b.
Essendo ritenuta quasi nulla la massa dei neutrini, si deve ammettere che essi si muovano con una velocità quasi uguale a quella della luce.
Esistono tre tipi di neutrini con le rispettive antiparticelle,associati rispettivamente all'elettrone,al muone ed alla particella t (tauone) .
I neutrini appartengono alla famiglia dei leptoni e sono soggetti alla sola forza debole.

LA SCOPERTA DEL NEUTRONE (1932)

La scoperta del neutrone si deve al fisico inglese Chadwick (Nobel 1935), il quale fornì una nuova interpretazione degli esperimenti effettuati da Bothe e Becker (1930) e dai coniugi francesi Joliot-Curie (1932), bombardando bersagli di boro e di berillio con le particelle a (nuclei di elio) emesse dal radio.
Bothe e Becker e Joliot-Curie pensavano che il bombardamento con particelle a determinasse l'emissione di fotoni g di alta energia da parte dei nuclei di B e Be; invece le prove teorico-sperimentali prodotte da Chadwick, evidenziarono l'esistenza del neutrone nei nuclei atomici, che anteriormente al 1932 si riteneva fossero costituiti da protoni ed elettroni.
Il neutrone è privo di carica elettrica ed ha una massa circa uguale a quella del protone.
Appartiene alla famiglia degli adroni ed è soggetto pertanto sia alle interazioni forti che a quelle deboli.
Esso inoltre, pur essendo privo di carica elettrica, è dotato di un momento magnetico mediante il quale può interagire con un campo elettromagnetico.
Il neutrone ed il protone vengono entrambi definiti nucleoni, in quanto costituiscono i nuclei atomici.

GLI STUDI DI ENRICO FERMI SUI NEUTRONI (1934-1938)

Enrico Fermi ed i suoi allievi Emilio Segrè , Franco Rasetti, Edoardo Amaldi, Ettore Maiorana ed Oscar D'Agostino nel 1934 diedero inizio presso l'Istituto di Fisica dell'Università di Roma ad una serie di celebri esperienze finalizzate allo studio della radioattività artificiale indotta dal bombardamento dei nuclei atomici con neutroni.
Nello stesso anno i coniugi Joliot-Curie avevano scoperto la radioattività artificiale bombardando l'alluminio con le particelle a emesse dal polonio, ottenendo nuclei radioattivi che emettevano positroni invece di elettroni, come avviene per gli elementi radioattivi naturali.
Fermi ebbe l'idea di utilizzare i neutroni al posto delle particelle a ,considerando che i neutroni, essendo privi di carica elettrica, non subiscono la repulsione da parte dei nuclei atomici carichi positivamente, e possono pertanto indurre con notevole efficacia le reazioni che rendono radioattivi i nuclei atomici.
Le esperienze condotte su una sessantina di elementi chimici evidenziarono la possibilità di indurre molto agevolmente la radioattività , bombardando i nuclei atomici con neutroni lenti, cioè neutroni rallentati interponendo tra la sorgente ed il bersaglio spessori di sostanze idrogenate (acqua, paraffina).
Le esperienze della Scuola di Fermi furono di fondamentale importanza per la scoperta della fissione (scissione) nucleare dell'uranio e la realizzazione della pila atomica (reattore nuclrare) presso l'Università di Chicago (dicembre 1942).

LA SCOPERTA DELLA FISSIONE DELL'URANIO (1939)

La fase conclusiva delle ricerche di Enrico Fermi e dei suoi allievi sulla radioattività indotta da neutroni lenti, riguardò l'ultimo elemento naturale del sistema periodico, l'uranio.
A differenza, però, di quanto si era verificato sperimentando su tutti gli altri elementi, l'interpretazione dei risultati sperimentali non era chiara per la produzione di alcuni elementi radioattivi con tempi di decadimento diversi ,separabili chimicamente con estrema difficoltà, per l'esiguità delle quantità prodotte.
Fermi ritenne che si fossero formati degli elementi chimici artificiali (transuranici), con numero atomico maggiore di quello dell'uranio (92).
Ricerche analoghe a quelle svolte dal gruppo di Fermi venivano condotte in Germania da Hahn e Strassman, i quali nel 1939 ,bombardando l'uranio con neutroni lenti, evidenziarono inequivocabilmente la presenza del bario e di altri elementi con numero atomico intermedio tra quelli dell'uranio e del bario.
Dopo avere ripetuto parecchie volte le analisi dei prodotti di reazione, si convinsero di avere scoperto un fenomeno nuovo: la fissione (scissione) dell'uranio in due frammenti, con l'emissione di 2 o 3 neutroni.
Subito dopo Enrico Fermi, al quale nel 1938 era stato assegnato premio Nobel per la Fisica per le ricerche sulla radioattività artificiale indotta da neutroni lenti, enunciò la possibilità di utilizzare la fissione dell'uranio per produrre una reazione a catena, cioè una reazione nucleare che, avviata da un solo neutrone, si autosostenesse attraverso i 2 o 3 neutroni emessi in ogni fissione, che potevano produrre la fissione di altri nuclei di uranio,con un aumento esponenziale del numero dei neutroni prodotti e l'emissione di una considerevole quantità di energia , 200 MeV (megaelettronvolt), corrispondente a 200 milioni di volte l'energia che una particella dotata di una carica pari a quella elettronica,acquisisce dopo essere stata accelerata nel passaggio tra due elettrodi sottoposti ad una differenza di potenziale di 1 V.
L'energia cinetica dei frammenti di fissione (nuclei con numeri atomici intermedi, la cui somma sia 92, e neutroni veloci) viene ceduta sotto forma di calore al mezzo moderatore, che serve a rallentare i neutroni fino a ridurre la loro energia a qualche frazione di elettronvolt, un valore comparabile con l'energia di agitazione termica.
Come moderatori di neutroni vennero utilizzate sostanze contenenti idrogeno (paraffina,acqua,acqua pesante) , in quanto, essendo la massa di un neutrone circa uguale a quella di un nucleo d'idrogeno (protone), bastano pochi urti neutrone-protone per dissipare la maggior parte dell'energia cinetica di un neutrone veloce (da 1 a 5 MeV).

FISSIONE DELL'URANIO 235 CON NEUTRONI LENTI




DALLE RICERCHE SUI RAGGI COSMICI ALLA FISICA DELLE ALTE ENERGIE

Lo studio delle particelle secondarie (sciami di particelle) prodotte dai raggi cosmici, che sono costituiti da raggi X e particelle cariche, per la maggior parte protoni di alta energia provenienti dallo spazio extraterrestre, consentì sin dal 1932 (Anderson) di scoprire nuove particelle elementari , la cui esistenza era stata prevista teoricamente.
Furono scoperti in tal modo il positrone, i mesoni p (pioni), i muoni, che derivano dal decadimento dei pioni e, a partire dai primi anni '50 tante altre particelle,sia cariche che neutre, più pesanti del protone (particelle L, S, X), la cui esistenza non era stata prevista teoricamente.
I fisici si resero conto che dalle tre particelle (elettroni, protoni e neutroni) considerate inizialmente come unici mattoni della materia, si era passati nell'arco di mezzo secolo ad una numerosa famiglia di particelle, la cui esistenza rendeva tutt'altro che semplice elaborare un modello teorico che fosse in grado di descriverne soddisfacentemente le caratteristiche.
Si osservavano comportamenti non rientranti negli schemi teorici ritenuti fino a quel momento validi,e si coniavano nuove categorie, come quella della "stranezza", per classificare alcune delle nuove particelle.
Ci si rese conto gradatamente che le ricerche sui raggi cosmici, basate sull'osservazione delle tracce lasciate dalle particelle sulle lastre fotografiche o all'interno delle camere a nebbia (di Wilson), non erano più sufficienti a far progredire la neonata fisica delle particelle elementari.
Si decise pertanto, nei vari centri internazionali di ricerca, di dare il via alla costruzione di grandi acceleratori di particelle,che consentissero di generare particelle di alta energia con le quali bombardare un bersaglio metallico, per esempio una lamina di rame, di ferro o di tungsteno, per esaminare i prodotti di reazione e studiare agevolmente le caratteristiche degli urti al variare dell'energia e del tipo dei "proiettili" utilizzati.
Lo studio sistematico degli eventi generati nell'impatto particella-bersaglio, fornisce ingenti quantità di informazioni sulla struttura della materia, e consente di verificare sperimentalmente la validità dei modelli teorici che vengono proposti nell'intento di costruire un modello teorico generale.
L'applicazione sistematica del metodo sperimentale galileiano è fondamentale non solo per ricevere conferme sulle previsioni teoriche elaborate relativamente ad una certa tipologia d'urto programmata, ma soprattutto per utilizzare coerentemente gli acceleratori come se fossero degli ultramicroscopi per l'osservazione della materia subnucleare, con una risoluzione tento maggiore quanto più elevata è l'energia.
E' ben noto infatti che il potere risolutivo di un microscopio ottico cresce al diminuire della lunghezza d'onda della radiazione visibile utilizzata per effettuare le osservazioni.
In modo analogo, al crescere dell'energia delle particelle da utilizzare per bombardare il bersaglio,aumenta la risoluzione, in quanto diminuisce la lunghezza delle "onde di probabilità"
l = h/(MV),data dalla relazione di De Broglie, basilare per la meccanica del microcosmo.
Rielaborando lo schema del ciclotrone ,primo esemplare di acceleratore circolare ,realizzato nel 1931 da Lawrence (Nobel 1939) presso l'Università di California, furono realizzati negli USA ed in Europa (presso il CERN di Ginevra e nei laboratori nazionali francesi, tedeschi e italiani) i primi elettrosincrotroni e protosincrotroni per ricerche nel campo della fisica delle alte energie, ben distinta dalla fisica nucleare,che studia la materia ad energie relativamente basse.

LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELLA MATERIA : QUARK E LEPTONI

A partire dai primi anni '50, nell'arco di poco più di un decennio, la famiglia delle particelle elementari era diventata così numerosa da comprendere oltre una ventina di particelle, di cui soltanto alcune (il protone, il neutrone , l'elettrone ed il neutrino) venivano ritenute veramente elementari, mentre, considerando i risultati degli esperimenti di fisica delle alte energie che venivano effettuati con acceleratori sempre più potenti, si rafforzava sempre più il sospetto che tutte le altre fossero tutt'altro che elementari e che bisognasse ricercare delle vere particelle elementari, combinando le quali si potessero spiegare le proprietà di tutte le altre particelle.
Nel 1964,indipendentemente l'uno dall'altro, i fisici Murray Gell-Mann (Nobel 1969) e George Zweig ipotizzarono che le particelle veramente elementari fossero i leptoni , cioè elettroni, muoni e neutrini con le rispettive antiparticelle, e che invece tutte le altre particelle più pesanti, gli adroni, sensibili alla forza subnucleare forte, fossero costituite da 2 o 3 particelle veramente elementari, dotate di carica elettrica frazionaria (2/3 o 1/3), alle quali fu dato il nome di "quark", vocabolo di oscuro significato, presente nel romanzo "Ulisse" di James Joyce.
Il modello a quark si basava originariamente su tre particelle fondamentali con spin 1/2, con le rispettive antiparticelle: quark up, con carica elettrica positiva pari a 2/3 di quella elettronica, quark down, con carica elettrica negativa pari a 1/3 di quella elettronica e quark strange (strano), con carica elettrica negativa pari a 1/3 di quella elettronica, introdotto per spiegare la lentezza del decadimento dei mesoni K e di altri adroni strani .
I mesoni (p, K, ecc...) sono formati da un quark e da un antiquark, mentre i barioni (protone,neutrone, particelle L,S,X,ecc...), sono formati da tre quark.
Le antiparticelle dei mesoni e dei barioni si ottengono sostituendo a quark ed antiquark le rispettive antiparticelle.
Il modello a tre quark consentì di prevedere l'esistenza di nuove particelle, per esempio il barione W-, che fu successivamente identificato in una particella di massa molto vicina a quella della particella prevista teoricamente.




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