Un Premio Nobel tutto italiano

Nel marzo del 1934 Fermi riesce in una impresa ritenuta impossibile. Usando una attrezzatura semplice ma ingegnosa, scopre che alcune sostanze, irradiate con neutroni, acquistano proprietà radioattive di tipo beta. Successivamente, nell’ottobre dello stesso anno, scopre che il rallentamento dei neutroni, attraverso strati di paraffina o di acqua, le cui molecole sono ricche di Idrogeno, può incrementare enormemente la loro capacità di indurre radioattività. Questa scoperta avrà un eccezionale impatto scientifico e tecnologico.

Fermi vince il Premio Nobel per la Fisica 1938

Nel 1938 il Premio Nobel per la Fisica viene assegnato a Enrico Fermi, con le seguenti motivazioni:

“per la Vostra scoperta di nuove sostanze radioattive appartenenti all’intero campo degli elementi e per la scoperta, da Voi fatta nel corso di tali studi, del potere selettivo dei neutroni lenti.”

Fermi riceve il Nobel per la Fisica nel 1938

Si tratta di un Premio Nobel tutto italiano che corona le ricerche fatte da Fermi a Roma nel corso di quattro intensi anni, che hanno portato prima alla scoperta della possibilità di indurre radioattività su un grande numero di elementi tramite il bombardamento con neutroni, e poi alla scoperta che gli effetti dei neutroni sono grandemente esaltati in alcuni casi dal loro rallentamento.

Ripercorreremo le fasi salienti di questo grande successo.

Telegramma che annuncia a Fermi la vittoria del Premio Nobel per la Fisica nel 1938

Decadimenti beta e beta +

Alla fine del 1933 Fermi perviene alla formulazione della sua teoria del decadimento beta, che introduce un nuovo tipo di interazione fondamentale e apre la strada alla moderna teoria delle interazioni deboli.

La teoria del decadimento beta gioca un ruolo fondamentale nell’orientare le sue successive ricerche sulla radioattività indotta da neutroni.

Secondo la teoria di Fermi, nel nucleo che subisce il decadimento beta un neutrone (n) si trasforma in protone di carica elettrica positiva (p), con la simultanea creazione di un elettrone di carica elettrica negativa (e-) e un neutrino (ν). Questo decadimento si chiama “beta negativo”, perché viene emesso un e .

La stessa teoria di Fermi prevede che un protone (p) possa trasformarsi in un neutrone (n), con la simultanea creazione di un elettrone con carica positiva (e+), detto antielettrone, e di un antineutrino (ν). Si tratterebbe in questo caso di un decadimento “beta positivo”, fino a quel momento mai visto in Natura. Questa previsione trova una conferma da lì a poco in alcuni esperimenti di Irène Curie e Frédéric Joliot a Parigi.

Dal punto di vista della teoria quantistica dei campi, i decadimenti beta e beta+sono uno l’inverso dell’altro, e possono svilupparsi quando si verifichino le opportune condizioni energetiche (essendo il protone più leggero del neutrone).

La radioattività indotta da particelle alfa (Joliot-Curie)

Nel gennaio del 1934, Irène e Frédéric Joliot-Curie scoprono che è possibile creare artificialmente nuovi nuclei radioattivi mediante bombardamento con particelle alfa. Le particelle alfa sono in realtà nuclei (leggeri) di Elio. La radioattività provocata da questo bombardamento è di tipo beta+in cui vengono emessi elettroni positivi. Il Premio Nobel 1935 per la Chimica corona questa loro scoperta.

Lo schema dell’esperimento è molto semplice. Una fogliolina di una sostanza non radioattiva, per esempio Alluminio, viene sottoposta a un intenso irraggiamento con particelle alfa prodotte da una sorgente di Polonio.

La fogliolina viene poi allontanata dalla sorgente e posta in contatto con un rivelatore Geiger- Müller, che conta gli elettroni emessi, rivelando la presenza di una nuova sostanza radioattiva che emette elettroni positivi con un tempo di decadimento facilmente misurabile.

Siamo in presenza di un fenomeno di radioattività indotta dal bombardamento con particelle alfa. Gli elementi che vengono attivati dalle particelle alfa sono però solo pochi e di basso numero atomico (contengono cioè un basso numero di protoni), a causa della repulsione Coulombiana tra le alfa e i nuclei, entrambi carichi positivamente.

L’idea di Fermi di usare neutroni

Dopo la scoperta dei Joliot-Curie della possibilità di produrre radioattività indotta del tipo beta + tramite bombardamento con particelle alfa, Fermi, guidato dalla sua teoria del decadimento beta, concepisce la possibilità di produrre radioattività indotta di tipo beta tramite bombardamento con neutroni.

Il neutrone, come proiettile nucleare, ha l’ovvio vantaggio di poter raggiungere più facilmente il nucleo, a differenza delle particelle alfa che subiscono una forte repulsione Coulombiana. D’altra parte le sorgenti di neutroni sono molto meno intense delle sorgenti di particelle alfa, perché i neutroni non vengono emessi direttamente dai nuclei, ma sono il prodotto di una reazione nucleare (per produrre i neutroni bisogna bombardare nuclei leggeri, per esempio di Berillio, con particelle alfa).

Fermi riesce a contrastare la difficoltà della scarsa intensità delle sorgenti di neutroni tramite un accorto sfruttamento delle condizioni geometriche nell’irraggiamento dei campioni e nella rivelazione dell’eventuale emissione beta.

Le sorgenti di neutroni sono rese disponibili a Fermi da Giulio Cesare Trabacchi, direttore del laboratorio di Fisica dell’Istituto di Sanità Pubblica di Roma, ospitato nella palazzina di via Panisperna. Queste sono costituite da una piccola ampolla di vetro sigillata in cui è stata inserita una piccola quantità di Radon, un gas fortemente radioattivo che funge da sorgente di particelle alfa, e della polvere di Berillio. Fermi ottiene la prima sorgente il martedì 20 marzo 1934.

Per effettuare gli esperimenti è necessario un rivelatore Geiger-Müller, in grado di contare gli eventuali elettroni emessi. Nei giorni precedenti Fermi ne ha messo a punto uno molto semplice, ma perfettamente funzionante.

Apparato per l’estrazione del Radon dal Radio dell’Istituto di Sanità Pubblica di Roma, installato nell’edificio di via Panisperna (Archivio fotografico dell’Istituto Superiore di Sanità, Roma)

La scoperta di Fermi della radioattività indotta da neutroni

È possibile seguire in tutti i dettagli la fase della scoperta seguendo il quaderno di laboratorio, in cui Fermi ha registrato i risultati dei suoi primi esperimenti sui neutroni. Questo quaderno è rimasto nascosto tra le carte del suo collaboratore Oscar D’Agostino, presso l’Istituto Tecnico “Oscar D’Agostino” di Avellino, ma è stato individuato nel 2002, e portato all’attenzione degli studiosi. È adesso esposto al pubblico per la prima volta in questa mostra.

Il 20 marzo del 1934, Fermi è in possesso di una conveniente sorgente di neutroni, e di un contatore Geiger-Müller. Nel corso di alcune prove preliminari Fermi si accerta che il contatore registra comunque circa dieci botti al minuto, come effetto della debolissima radioattività naturale proveniente dalle pareti, e degli inevitabili raggi cosmici che piovono comunque sul contatore. Fermi tenta poi l’attivazione di un campione di Platino, senza risultato.

Contatore Geiger-Müller costruito da Fermi

Il successo viene però subito raggiunto con un campione di Alluminio. Fermi porta un cilindretto cavo di Alluminio nella stanza dove si trova la sorgente. Lo sottopone all’irraggiamento ponendo la sorgente dentro il cilindro, in modo da avere il massimo effetto di attivazione sfruttando tutto l’angolo solido, ossia il fatto che il campione avvolge la sorgente come un manicotto.

Dopo l’irraggiamento, Fermi riporta rapidamente il campione cilindrico nella stanza dove si trova il contatore, pone il contatore al suo interno, in modo da rivelare tutta l’emissione contenuta nella cavità del cilindro, sfruttando così nuovamente la semplice e ingegnosa geometria dell’apparato.

I conteggi rivelano senza ombra di dubbio che si è creata una nuova sostanza radioattiva. Infatti i conteggi sono molto superiori al fondo: 82 conteggi ogni 5 minuti, contro i 50 del fondo, come riportato a pagina 19 del quaderno di laboratorio. Dopo circa mezzora i conteggi si riducono statisticamente al valore del fondo. La vita media della nuova sostanza radioattiva risulta quindi di circa 10 minuti. Il quaderno permette di stimare che la scoperta è stata fatta nel pomeriggio del 20 marzo.

Queste semplici operazioni hanno fruttato praticamente mezzo Premio Nobel!

Successivamente Fermi si accerta che anche il Fluoro, in un campione di Fluoruro di Calcio, si attiva con una vita media di circa 10 secondi (vedi pagina 29 del quaderno). I risultati sull’Alluminio e il Fluoro sono fatti conoscere immediatamente alla comunità scientifica con una breve comunicazione datata 25 marzo 1934, e pubblicata su La Ricerca Scientifica, la rivista ufficiale del Consiglio Nazionale della Ricerche. Ernest Rutherford si congratula personalmente con lui.

 Lettera di Ernest Rutherford a Enrico Fermi, in cui si congratula per la scoperta della radioattività indotta da neutroni (e anche “per la sua vincente fuga dalla sfera della fisica teorica!”) (Domus Galilaeana, Pisa)

L’esplorazione sistematica della tavola periodica degli elementi

Dopo aver scoperto la radioattività indotta sull’Alluminio e sul Fluoro, Fermi si dedica a una esplorazione sistematica di tutta la tavola periodica degli elementi, usufruendo successivamente della collaborazione, in ordine temporale, di Oscar D’Agostino, poi di Edoardo Amaldi ed Emilio Segrè, e, infine, di Franco Rasetti.

I risultati raggiunti sono pubblicati in una serie di articoli su La Ricerca Scientifica, su Il Nuovo Cimento, e poi in un articolo conclusivo, a firma di tutto il gruppo di ricerca, pubblicato sui Proceedings of the Royal Society.

Il lavoro è intenso. All’arrivo della pausa estiva del 1934 risultano attivati circa 40 elementi su circa 60 provati.

I risultati sul bombardamento dell’Uranio da parte dei neutroni costituiscono un caso di estremo interesse. Fermi è portato a una interpretazione fisica dei risultati che implicherebbe l’avvenuta produzione di due elementi “transuranici”, ossia con numero atomico maggiore di quello dell’Uranio, l’ultimo elemento della tavola di Mendeleev, che vengono battezzati come Ausonio (Z=93) ed Esperio (Z=94).

Questi risultati sono confermati da Irène Curie a Parigi e da Otto Hahn e Lise Meitner a Berlino.

Purtroppo si tratta di un errore di interpretazione, destinato a durare fino alla scoperta della fissione nucleare da parte di Otto Hahn e Fritz Strassmann nel 1938. Si può parlare di una vera e propria “beffa dei transuranici”.

La beffa dei transuranici

Nel maggio del 1934, Fermi studia l’effetto del bombardamento da neutroni sull’Uranio (Z=92), che è l’elemento estremo della tavola periodica degli elementi. Viene trovato che si producono nuovi nuclei radioattivi, detti anche radionuclidi, con vite medie apprezzabili (da 100 minuti in giù).

L’interpretazione di Fermi è molto semplice e naturale. Prima si accerta con accurate analisi chimiche che i radionuclidi prodotti non possono essere elementi noti vicini all’Uranio nella tavola periodica, con Z da 91 in giù fino al Piombo (Z= 82). L’unica interpretazione possibile è allora che si siano prodotti gli elementi con Z=93 (Ausonio) e Z=94 (Esperio), secondo un semplice meccanismo di due decadimenti beta in successione: il neutrone del bombardamento viene assorbito dal nucleo dell’Uranio, con emissione di un raggio gamma, producendo un isotopo. Il nuovo isotopo dell’Uranio dà luogo a un decadimento beta con la nota trasformazione di un neutrone in protone, passando all’elemento con Z=93, e un successivo decadimento beta porta poi all’elemento con Z=94.

Questa interpretazione resiste per molti anni, tanto che Fermi cita l’Ausonio (Ao) e l’Esperio (Hs) nella sua Nobel Lecture.

Purtroppo la scoperta della fissione nucleare, effettuata da Hahn e Strassmann nel dicembre 1938, conduce a una drastica reinterpretazione fisica di questi risultati.

In realtà Fermi ha prodotto fin dal maggio 1934 la scissione del nucleo, senza accorgersene. I nuovi radionuclidi osservati non sono elementi transuranici, ma semplicemente prodotti beta attivi della fissione del nucleo di Uranio. Il meccanismo immaginato da Fermi per la produzione dei transuranici esiste effettivamente in natura, ma non poteva essere osservato negli esperimenti di Fermi, a causa della scarsa intensità delle sorgenti di neutroni utilizzate. I primi transuranici “veri” verranno scoperti solo a partire dal 1940.

Si tratta di una doppia beffa. Fermi ha realizzato la fissione senza saperlo, credendo di avere scoperto transuranici mentre invece erano prodotti di fissione. I veri transuranici prodotti nell’irraggiamento non sono stati rivelati.

Fermi è costretto a modificare le bozze della sua relazione di Stoccolma, poiché la scoperta della fissione avviene dopo la sua Nobel Lecture, ma prima della relativa pubblicazione degli Atti.

Successive difficoltà teoriche e sperimentali

Dopo il grande successo delle ricerche culminate nell’estate del 1934, con l’attivazione di circa quaranta sostanze sulle circa sessanta provate, dopo la ripresa estiva si profilano alcune gravi difficoltà sia di tipo teorico sia di tipo sperimentale.

Fermi ha difficoltà nel comprendere come sia possibile il processo, detto reazione (n, gamma), in cui un neutrone è assorbito nel nucleo con conseguente emissione di un raggio gamma, e formazione di un nuovo nucleo beta radioattivo.

Infatti i neutroni prodotti dalle sorgenti utilizzate avrebbero dovuto avere l’energia di qualche MeV, e quindi l’assorbimento nel nucleo avrebbe dovuto avvenire in un tempo brevissimo, troppo piccolo per permettere l’emissione elettromagnetica di un raggio gamma secondo le teorie esistenti.

Inoltre accade che, in alcuni casi, l’intensità di attivazione di alcune sostanze dipende dall’ambiente circostante, in modo tale da compromettere la riproducibilità degli esperimenti. Secondo la testimonianza di Amaldi, è proprio Bruno Pontecorvo, associatosi alle ricerche sui neutroni dopo la pausa estiva, ad accorgersi che alcuni tavoli di legno hanno proprietà “miracolose”. Il campione di Argento irradiato per un tempo determinato su un tavolo di legno mostra una attività indotta molto più intensa di quella che si riscontra procedendo all’irradiazione dello stesso campione, da parte della stessa sorgente di neutroni e per lo stesso tempo, ma su un tavolo di marmo.

Guidato dal suo “intuito fenomenale”, Fermi riesce a concretizzare la soluzione dei problemi teorici e dei problemi di riproducibilità degli esperimenti, pervenendo alla scoperta da lui ritenuta “la più importante” della sua vita: gli effetti dei neutroni lenti.

La scoperta degli effetti dei neutroni lenti

La scoperta avviene sabato 20 ottobre, ed è documentata da una precisa registrazione di laboratorio.

Guidato dal suo “intuito fenomenale” (la definizione è dello stesso Fermi), Fermi riesce a comprendere come risolvere in un sol colpo le difficoltà di tipo teorico sulle reazioni (n, gamma) e quelle dovute alla apparente non perfetta riproducibilità degli esperimenti di attivazione.

Il nuovo esperimento è estremamente semplice. Viene confrontata, a parità di tutte le altre condizioni, l’intensità di attivazione di un campione di Argento quando una lastra di paraffina di quattro centimetri di spessore è interposta tra la sorgente e il campione, con quella ottenuta senza paraffina.

Sorprendentemente la presenza della paraffina produce un grande incremento della intensità di attivazione. Con successivi esperimenti, effettuati sabato 20 e domenica 21, Fermi trova che effetti simili si hanno anche quando la sorgente è circondata da una grande massa di acqua, in particolare quella della “fontana dei pesci rossi” nel giardino dell’Istituto di Fisica di via Panisperna.

Il successivo lunedì 22 Fermi comunica questi risultati ai suoi collaboratori, insieme con l’interpretazione fisica. La presenza della paraffina, o dell’acqua, produce un rallentamento dei neutroni in seguito all’urto elastico con i nuclei di Idrogeno presenti, che portano via parte dell’energia. I neutroni lenti sono molto efficaci nel produrre le reazioni (n, gamma) e vengono assorbiti più facilmente nei nuclei di elementi pesanti.

La scoperta è annunziata in una breve lettera a La Ricerca Scientifica, datata 22 ottobre 1934. Tutte le ricerche riprendono con questo nuovo metodo sperimentale.

La scoperta è di grande interesse applicativo, tanto da richiedere un brevetto. Infatti, si prefigura la possibilità di produrre artificialmente rilevanti quantità di specifici nuclidi beta attivi, da utilizzare concretamente per cure mediche, o come traccianti nello studio del metabolismo e delle reazioni chimiche.

Il brevetto sui neutroni lenti

La scoperta degli effetti dei neutroni lenti consente importanti sviluppi applicativi. Tra l’altro, i nuovi radionuclidi artificiali, prodotti in quantità rilevanti tramite le tecniche di rallentamento, costituiscono un obiettivo tecnologico di alto livello.

Orso Mario Corbino, il direttore dell’Istituto, dotato di profonda esperienza industriale, suggerisce di brevettare il metodo del rallentamento dei neutroni. Il brevetto è immediatamente ottenuto il 26 ottobre 1934, e poi esteso alle altre nazioni europee, e negli Stati Uniti e nel Canada.

I titolari del brevetto sono Enrico Fermi e poi, in ordine alfabetico, Edoardo Amaldi, Oscar D’Agostino, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti, Emilio Segrè, Giulio Cesare Trabacchi.

Gli effetti dei neutroni lenti si riveleranno di grande importanza per tutte le applicazioni pratiche sullo sfruttamento dell’energia nucleare di fissione, in particolare per la realizzazione dei reattori nucleari.

Dopo la fine della Guerra, i titolari del brevetto sono costretti a un lungo procedimento giudiziario contro l’Amministrazione degli Stati Uniti, per vedere riconosciuti i loro diritti, sotto forma di un congruo risarcimento, che in una prima fase viene valutato circa 10 milioni di dollari. Il trasferimento di Bruno Pontecorvo nell’Unione Sovietica, avvenuto in forma segreta nel settembre del 1950, rischia di minacciare l’esito della procedura. Comunque nel 1953 si perviene ad un accordo in cui viene riconosciuto agli inventori un modesto risarcimento di 300 000 dollari.

Il brevetto sui neutroni lenti (Privativa Industriale N. 324458) (Domus Galilaeana, Pisa)

Diffusione, assorbimento e rallentamento dei neutroni

Dopo la scoperta degli effetti del rallentamento dei neutroni, Fermi cn i suoi collaboratori continua gli esperimenti sull’attivazione degli elementi della tavola periodica utilizzando neutroni lenti.

Successivamente si concentra sullo studio teorico e sperimentale della diffusione, assorbimento e rallentamento dei neutroni, con una serie di lavori che costituiscono la base di tutte le successive applicazioni dei neutroni lenti in fisica nucleare.

Nel dicembre del 1938 il Premio Nobel per la Fisica viene attribuito a Enrico Fermi, in riconoscimento delle sue scoperte sulla radioattività indotta dai neutroni e sugli effetti dei neutroni lenti.