I PIONIERI DELLA FISICA

DA ARCHIMEDE A CARLO RUBBIA

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
Docente di Elettronica e Telecomunicazioni
presso l'Istituto Tecnico Industriale"Verona Trento" di Messina
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ALBERT EINSTEIN

LORD ERNEST RUTHERFORD

NIELS BOHR

LOUIS-VICTOR PIERRE RAYMOND DE BROGLIE

WERNER HEISENBERG

ERWIN SCHROEDINGER

PAUL ANDRIEN MAURICE DIRAC

ENRICO FERMI

WOLFGANG PAULI

ETTORE MAJORANA

EUGENE PAUL WIGNER

SIN-ITIRO TOMONAGA

JULIEN SCHWINGER

RICHARD FEYNMAN

MURRAY GELL-MANN

SHELDON LEE GLASHOW

ALVIN WEINBERG

ABDUS SALAM

CARLO RUBBIA

SIMON VAN DER MEER

LORD ERNEST RUTHERFORD

Fisico inglese (1871-1937)

Sono fondamentali le sue ricerche sui fenomeni radioattivi, effettuate dal 1897 al 1907 in collaborazione con J.J. Thomson e F.Soddy, per determinare le leggi di decadimento (a e b) degli elementi radioattivi delle tre famiglie naturali (dell'uranio-radio, del torio e dell' attinio). Nell'ambito di ciascuna serie il capostipite, che è l'elemento con la vita media più lunga (alcuni miliardi di anni), decadendo si trasforma nell'elemento radioattivo successivo, e così via attraverso tutti gli elementi instabili consecutivi, fino alla formazione di un elemento stabile (un isotopo del piombo). La sua principale scoperta riguarda il nucleo atomico.
Nel 1911 Rutherford, dopo due anni di ricerche effettuate assieme Geiger e Marsden ,bombardando sottili foglie d'oro con particelle a ed esaminando la distribuzione angolare delle particelle diffuse in tutte le direzioni, si rese conto dell' impossibilità di accettare il modello atomico proposto nel 1902 da J.J. Thomson, che immaginava gli elettroni dispersi
all' interno di una sfera dotata di carica elettrica positiva, distribuita uniformemente ed uguale a quella negativa dovuta gli elettroni, in modo tale che fosse mantenuta la neutralità elettrica .
I dati sperimentali erano invece compatibili con l'esistenza di un nucleo positivo contenente quasi tutta la massa dell'atomo, in quanto gli eventi relativi alla diffusione delle particelle a a grandi angoli o addirittura, sia pure con scarsa frequenza, all'indietro, erano compatibili soltanto con un nucleo positivo massiccio.
Rutherford enunciò pertanto la scoperta del nucleo atomico, dando un impulso decisivo allo sviluppo della fisica atomica.
A Rutherford va inoltre attribuito il merito di avere prodotto la prima reazione nucleare artificiale.
Infatti, nel 1919 , bombardando con partecelle a un materiale contenente azoto, ottenne come prodotti di reazione un isotopo dell' ossigeno e nuclei d'idrogeno (protoni), dei quali potè misurare l'energia cinetica.
Nel 1908 gli fu conferito il premio Nobel per la chimica.

NIELS BOHR

Fisico danese (1885-1951)

Allievo di J.J. Thomson e Rutherford, nel 1913 elaborò la prima teoria della struttura atomica, basandosi sul modello atomico di Rutherford ed applicando all'atomo più semplice, l'atomo d'idrogeno, le leggi della meccanica classica ed alcuni postulati che tenevano conto della quantizzazione dell'energia e del momento angolare dell'unico elettrone orbitante attorno al nucleo (protone), carico positivamente.
Il modello atomico che ne derivò, prese il nome di modello di Bohr-Rutherford, e consentì di disporre di una teoria atomica elementare, che rappresentò tuttavia il primo importante passo per la costruzione della fisica atomica.
Fondò la scuola di fisica di Copenaghen, presso la quale si formarono negli anni '20 i più illustri esponenti della fisica atomica europea.
Nel campo della fisica nucleare introdusse il modello a goccia del nucleo atomico, di fondamentale importanza per lo studio della fissione dell'uranio e del plutonio con neutroni lenti.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1922.

LOUIS-VICTOR PIERRE RAYMOND DE BROGLIE

Fisico francese (1892- 1987)

Nel formulare l'ipotesi (1924) del comportamento ondulatorio delle particelle elementari, che diede impulso alla creazione della meccanica quantistica di Schroedinger (detta anche meccanica ondulatoria), fu guidato dall'analogia con il dualismo ondulatorio-corpuscolare ipotizzato da Einstein (teoria dei fotoni, 1905) per spiegare l' effetto fotoelettrico.
De Broglie pensò che, per analogia con quanto si verifica per la radiazione elettromagnetica, che nell'interazione con gli oggetti del microcosmo (atomi e particelle), evidenzia proprietà corpuscolari, in quanto i fotoni (pacchetti di energia elettromagnetica) si comportano come se fossero vere e proprie particelle materiali, anche per la materia del microcosmo fosse possibile evidenziare proprietà ondulatorie, e che pertanto a qualsiasi particella dotata di quantità di moto MV,dovesse essere associata un'onda di probabilità con lunghezza l = h/(MV), dove h è la costante universale di Planck che caratterizza i fenomeni fisici del microcosmo.
L'ipotesi di De Broglie fu verificata sperimentalmente (1927) da Davisson e Thomson , che evidenziarono con esperimenti di diffrazione il comportamento ondulatorio degli elettroni, ottenendo fotografie degli anelli di diffrazione molto simili a quelle ottenute da Laue e Bragg nei primi anni '10, con i raggi X, che sono onde elettromagnetiche.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1929.

 

WERNER HEISENBERG

Fisico tedesco (1901-1976)

Dopo la laurea fu allievo di Bohr presso la scuola di Copenhagen.
Nel 1925, indipendentemente da Schroedinger formulò la meccanica quantistica, introducendo il formalismo delle matrici.
Celebre il principio d' indeterminazione , enunciato nel 1927 come principio basilare per lo studio dei fenomeni fisici del microcosmo.
Fu tra i fondatori dell'elettrodinamica quantistica.
Sono fondamentali le sue ricerche nel campo della teoria quantistica dei campi e della fisica delle particelle elementari.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1932.

 

ERWIN SCHROEDINGER

Fisico austriaco (1887-1961)

Nel 1925, indipendentemente da Heisenberg, formulò la meccanica quantistica, introducendo come equazione fondamentale la sua equazione d'onda, la cui soluzione è la funzione d'onda.
L'equazione di Schroedinger, detta anche equazione delle onde di probabilità, descrivendo l'atomo come una nuvola di probabilità, consente di calcolare la probabilità di trovare l'elettrone in un punto di date coordinate rispetto al nucleo.
Gli fu conferito il premio Nobel assieme a Dirac nel 1933.

PAUL ANDRIEN MAURICE DIRAC

Fisico inglese (1902-1984)

Dopo la pubblicazione dei lavori di Heisenberg e Schroedinger, fornì nel 1928 una versione relativistica dell'equazione d'onda, feconda di fondamentali risultati nel campo della fisica delle particelle elementari con spin 1/2 (elettrone,muone, neutrino,protone), in quanto implica l'esistenza di antiparticelle (positrone,antimuone,antineutrino, antiprotone),
la prima delle quali,il positrone, fu scoperta nel 1932 da Anderson negli sciami di particelle della radiazione cosmica.
L'equazione d'onda relativistica è fondamentale per lo sviluppo dell'elettrodinamica quantistica, di cui Dirac è considerato uno dei fondatori.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1933 assieme a Schroedinger.


ENRICO FERMI

Fisico (1901-1954)

Straordinaria figura di fisico teorico e sperimentale.
Effettuò ricerche di importanza basilare in tutti i settori della fisica, apportando contributi la cui genialità è riconosciuta da tutta la comunità scientifica internazionale.
Dopo aver lavorato con alcuni dei più illustri fisici del XX secolo, a Gottinga e Leida, ed essere stato nominato accademico d'Italia a soli 27 anni, dal 1923 al 1938, anno del suo trasferimento negli Stati Uniti, apportò fondamentali contributi alla statistica quantistica delle particelle elementari con spin semidispari , denominate in suo onore fermioni, alla struttura atomica, alla teoria delle forze deboli (1934),dette anche forze di Fermi, che determinano la radioattività b, ed alla produzione di parecchi isotopi radioattivi artificiali ottenuti bombardando i nuclei con neutroni lenti.
Le sue ricerche sui neutroni, effettuate presso l'università di Roma (1934-1938), furono basilari per la scoperta della fissione nucleare ad opera di Hahn e Strassman (1939).
Negli Stati Uniti realizzò e collaudò (1942), nell'ambito del progetto Manhattan, il primo reattore (pila) nucleare, partecipando alla realizzazione della bomba atomica.
Nel periodo postbellico, trascorso prevalentemente presso l'università di Chicago, si dedicò prevalentemente a ricerche di fisica delle alte energie, sia studiando la radiazione cosmica, sia utilizzando i primi acceleratori di particelle, derivati dal ciclotrone di Lawrence, per lo studio degli urti tra pioni e nucleoni, ed i primi calcolatori elettronici. Nel 1938 gli fu conferito il premio Nobel per le sue ricerche sui neutroni.

WOLFGANG PAULI

Fisico austriaco (1900-1958)

La sua più importante scoperta è il principio di esclusione, noto anche come principio di Pauli.
Nel 1925, a seguito della formulazione della meccanica quantistica da parte di Heisenberg e Schroedinger, studiò la struttura atomica che veniva descritta dalla nuova meccanica, rendendosi conto che, per potere rappresentare i livelli energetici degli atomi in modo coerente con i dati sperimentali ricavati dagli spettri ottici ed a raggi X, fosse indispensabile ammettere che due elettroni atomici non possono occupare lo stesso stato, individuato da quattro numeri quantici: uno collegato all'energia,due al momento angolare orbitale ed il rimanente al momento angolare intrinseco (spin).
Se due elettroni, in particolare, possiedono tre numeri quantici uguali, devono avere spin orientati in versi opposti.
Il suo principio, che è una legge di natura valida per tutte le particelle elementari con spin semidispari , è fondamentale per spiegare non soltanto la struttura atomica dei vari elementi chimici, ma il comportamento di qualsiasi sistema quantistico , le cui particelle (fermioni) obbediscano alla statistica di Fermi-Dirac; in particolare esso è indispensabile per spiegare la conducibilità elettrica dei metalli.
La sua genialità di fisico teorico gli consentì di prevedere nel 1931 l'esistenza del neutrino, particella con massa e carica elettrica nulle, e di spiegare così l'apparente violazione del principio di conservazione dell'energia, rilevata misurando la strana distribuzione energetica degli elettroni nei fenomeni di decadimento radioattivo b .
Sulla sua ipotesi dell' esistenza del neutrino Enrico Fermi costruì la sua teoria delle forze deboli (1934).
Il neutrino, difficilissimo da rivelare per la mancanza di carica elettrica e per la massa, che attualmente, secondo le più recenti ricerche, si ritiene sia piccolissima, ma non proprio nulla, è in grado, per es., di attraversare tutta la Terra senza interagire e svolge un ruolo fondamentale nel controllare la velocità delle reazioni di fusione termonucleare che avvengono nel sole e nelle altre stelle.
I neutrini sono stati rivelati per la prima volta da Cowan e Reines, nel 1956, studiando le interazioni deboli indotte in un reattore nucleare dai neutrini generati dal decadimento radioattivo dei frammenti di fissione.
E' considerato uno dei fondatori dell'elettrodinamica quantistica.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1945.

 

ETTORE MAJORANA

Fisico italiano (1906-1939)

Si laureò presso l'Istituto romano di Fisica di Via Panisperna, avendo come maestro Enrico Fermi, che considerava le sue geniali capacità pari a quelle di Galileo, Newton, Gauss ed Einstein.
Si distinse immediatamente per la sua ineguagliata lungimiranza scientifica, evidenziata sistematicamente nel formulare con notevole anticipo rispetto ad altri fisici teorie innovative che a tutt'oggi sono considerate pietre miliari nello sviluppo della ricerca fondamentale. Si pensi, in particolare, alla "Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone", pubblicata nel 1937, basilare e di grande attualità per lo studio dell'antimateria ed in particolare del "neutrino di Majorana" ,particella che si distingue dal classico "neutrino di Dirac" per avere massa non nulla ed essere identico alla sua antiparticella (antineutrino). Nei più avanzati laboratori di ricerca ed in particolare presso il Laboratorio del Gran Sasso, si effettuano infatti esperimenti molto sofisticati sul doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, con strumenti e tecniche allo stato dell'arte, al fine di verificare l'esistenza del "neutrino di Majorana", con implicazioni di grande interesse anche in cosmologia, per indagare sul mistero della materia oscura, che costituisce il 26% di tutta la massa-energia dell'Universo, con il 4% di materia ordinaria (visibile) ed il 70% di energia oscura. Le ipotesi cosmologiche più accreditate e le teorie della supersimmetria (oltre il modello standard) si basano sul "neutrino di Majorana". Una delle tante "stranezze" di Majorana consisteva nella sua riluttanza a pubblicare i risultati delle sue geniali ricerche. Si deve infatti a Majorana la prima teoria delle forze nucleari, elaborata alcuni anni prima del 1933, anno in cui Heisenberg pubblicò i suoi articoli, indipendemente da Majorana,il quale pubblicò i risultati delle sue ricerche successivamente, su esortazione dello stesso Heisenberg!

EUGENE PAUL WIGNER

Fisico statunitense di origine ungherese (1902-1995)

E' considerato, dopo Fermi, uno dei più grandi fisici nucleari. Verso la fine degli anni '30 studiò l'applicazione della meccanica quantistica al nucleo atomico, scoprendo fondamentali teoremi che riguardano le proprietà di simmetria spazio-temporale delle forze nucleari, e sono applicabili anche in altri settori della fisica, in particolare nella fisica delle particelle elementari.
Il teorema dell'invarianza temporale stabilisce che i fenomeni fisici del microcosmo si svolgono allo stesso modo quando si va indietro nel tempo; si ha cioè la reversibilità temporale a livello microscopico, che è valida per tre delle quattro forze fondamentali.
Nel caso particolare delle interazioni elettromagnetiche, la validità del teorema di Wigner è stata verificata sperimentalmente (1964) dal fisico Antonino Zichichi.
I contributi di Wigner allo studio della struttura nucleare sono di importanza fondamentale .
Collaborò attivamente con Fermi al progetto Manhattan per la costruzione della prima bomba atomica.
Nel 1963 gli fu conferito il premio Nobel assieme a Maria Goeppert-Mayer e J. Hans D. Jensen.

 

SIN-ITIRO TOMONAGA

(Fisico giapponese, 1906-1979)

JULIEN SCHWINGER

(Fisico statunitense, 1918-1994)

RICHARD FEYNMAN

(Fisico statunitense, 1918-1988)

Le loro ricerche hanno riguardato il perfezionamento dell'elettrodinamica quantistica, introdotta verso la fine degli anni '20 da Dirac,Heisenberg e Pauli, che applicarono i principi della meccanica quantistica all'interazione tra le particelle elementari cariche ed il campo elettromagnetico.
La teoria originaria presentava parecchi inconvenienti derivanti dal non aver considerato le interazioni delle particelle cariche (elettroni, positroni, muoni, protoni, ecc...) con tutte le coppie virtuali particella-antiparticella che caratterizzano lo stato di vuoto dei campi quantistici (polarizzazione del vuoto); per tale motivo i calcoli davano luogo a contributi infiniti, fisicamente non accettabili.
Tomonaga, Schwinger e Feynman elaborarono, indipendentemente l'uno dall'altro, particolari tecniche di calcolo e di rinormalizzazione, fino a rendere l'elettrodinamica quantistica una delle teorie più accurate che siano mai state sviluppate.
I risultati della teoria furono brillantemente confermati dai risultati sperimentali (Lamb shift delle righe spettrali dell'atomo di idrogeno - 1947) collegati alla fisica virtuale, che descrive le fluttazioni dello stato di vuoto dei campi quantistici.
Le tecniche di calcolo utilizzate per perfezionare la Q.E.D. (Quantum Electro-Dynamics), sono state successivamente utilizzate nell'ambito del modello standard, sia nella teoria elettrodebole (la teoria unificata delle forze elettromagnetiche e deboli), sia nella cromodinamica quantistica (Q.C.D. - Quantum Chromo-Dynamics) ,che studia le interazioni forti tra i quark, all'interno degli adroni.
Fu conferito loro il premio Nobel nel 1965.

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