Nucleo: protoni, neutroni e Premi Nobel

L'inizio della fisica nucleare si può far combaciare con la scoperta della radioattività avvenuta nel 1896 ad opera di Becquerel. La fortunata combinazione di lasciare lastre fotografiche in un cassetto insieme con un minerale esotico capitalizzò l'attenzione su uno dei fenomeni rimasti insoluti dalla fisica classica. Solo due anni più tardi (1898), Pierre e Marie Curie riuscirono a separare con successo polonio e radio, elementi radioattivi, da minerali come la pechblenda. Gli studi sulla radioattività permisero ai coniugi Curie di conseguire, insieme con Becquerel, il Premio Nobel per la fisica nel 1903. Fu presto chiaro che, in seguito a tali fenomeni, le proprietà chimiche di un certo elemento potevano cambiare al prezzo di emettere qualche particella: se ne individuarono tre distinte denominate , e . Era l'alba della fisica moderna che avrebbe portato, nel giro di pochi decenni, all'avvento della meccanica quantistica.

L'esistenza del nucleo fu ipotizzata da Rutherford nel 1911, mentre solo nel 1920 Chadwick fu in grado di misurare il raggio di alcuni nuclei pesanti trovando ordini di grandezza ben al di sotto di quelli del raggio atomico (a₀≅0.5*10^-10 m): si trattava di 10^-14 m pari a 10 fermi (fm), l'unità di misura introdotta in onore del fisico italiano che si concentrò nello studio della fisica nucleare. Si stava progressivamente passando dallo studio dell'atomo a quello del nucleo che rimaneva un ente misterioso. Si sapeva che esso possedeva una carica elettrica positiva perfettamente bilanciata da quella negativa portata dagli elettroni, data la neutralità complessiva degli atomi. All'epoca era però nota solo l'esistenza del protone che, avendo carica positiva, si riteneva il costituente principale dei nuclei atomici((La scoperta del protone, avvenuta nel 1919, si deve al fisico neozelandese Rutherford.)). Esso è circa 1836 volte più pesante dell'elettrone portando il contributo maggiore alla massa dell'atomo. Lo studio di vari elementi rivelò presto delle difficoltà nel modello teorizzato: l'azoto ¹⁴N (numero atomico 7 e numero di massa 14), per esempio, possedeva una massa pari a 14m_p pur possedendo solo 7 elettroni. Si pensò dunque di introdurre nel modello degli elettroni nucleari in modo tale che il nucleo potesse essere descritto con 14 protoni e 7 elettroni nucleari per bilanciare la carica. Ciò spiegava la massa trovata, ma era in disaccordo con le misure dello spin totale del nucleo pari ad un numero intero. Protoni ed elettroni sono infatti fermioni, vale a dire particelle a spin semintero; le regole di addizione dei momenti angolari prevedono dunque che un sistema costituito da un numero dispari di fermioni possa avere solo spin semintero, contrariamente ai risultati sperimentali. Il problema fu risolto nel 1932 grazie a Chadwick e alla sua scoperta del neutrone, una particella priva di carica elettrica con massa equivalente a quella del protone. La nuova particella gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1935 e rivoluzionò il modello nucleare permettendo un incredibile progresso nello studio del nucleo atomico.

Nel nucleo fanno dunque parte protoni e neutroni, particelle sorprendentemente simili associate a valori diversi dei numeri quantici di una medesima particella, il nucleone. Questi portano il contributo maggiore alla massa dell'atomo pur occupando solo 10^-12 del suo volume. Lo spazio estremamente ridotto costringe i nucleoni a trovarsi separati da distanze minime nonostante la presenza di una forza repulsiva di natura elettromagnetica tra i protoni. Fu per spiegare tale fenomeno che venne introdotta l'interazione nucleare: essa è responsabile dell'estrema vicinanza tra i nucleoni e, diversamente dall'interazione elettromagnetica, non può essere caratterizzata da una dipendenza radiale, bensì da una a corto raggio((Un'eventuale interazione nucleare di tipo radiale non a corto raggio, essendo caratterizzata da intensità maggiori del caso elettromagnetico, implicherebbe l'attrazione tra atomi diversi che è invece ben spiegata da fenomeni residuali di natura coulombiana.)). Un importante contributo alla teoria dell'interazione nucleare fu dato da Yukawa che, nel 1935, propose un modello basato sullo scambio di mesoni per descrivere l'attrazione tra i nucleoni (potenziale di Yukawa). Gli studi teorici sulle forze nucleari permisero a Yukawa di prevedere l'esistenza dei mesoni, scoperta che gli permise di conseguire il Premio Nobel per la fisica nel 1949. In tale contesto il range finito della forza nucleare era una diretta conseguenza della massa non nulla dei mesoni scambiati. Con l'introduzione della cromodinamica quantistica (QCD) la teoria di Yukawa, efficace per descrivere l'interazione tra i nucleoni, può essere inserita in un fenomeno più ampio dovuto alle proprietà dell'interazione forte agente tra i quark. Il tutto riproduce perfettamente quanto accade per i legami chimici: come questi sono dovuti a residui dell'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettroni, allo stesso modo le forze nucleari possono essere descritte in termini di contributi residuali delle interazioni tra i quark interni a protoni e neutroni.

Altro passo fondamentale per lo studio delle proprietà dei nuclei fu la scoperta della radioattività artificiale avvenuta nel 1934 ad opera di Irene Curie (figlia maggiore di Marie Curie) ed il marito Frederic Joliot che permise loro di conseguire il Premio Nobel per la chimica nel 1935. La scoperta permise di sviluppare nuove tecniche per la caratterizzazione dei nuclei atomici basati su fenomeni di decadimento come l'emissione di particelle alfa, nient'altro che nuclei di elio ⁴He (numero atomico 2 e numerodi massa 4). La vera svolta si deve però a Enrico Fermi e il suo gruppo di ricerca, noto come i ragazzi di via Panisperna, che nel medesimo anno (1934) iniziarono uno studio sistematico di tutti gli elementi conosciuti sfruttando neutroni lenti, brillante intuizione che permise a Fermi di conseguire il Premio Nobel per la fisica nel 1938. Si trattava dei primi passi verso la fissione nucleare.

Sebbene protone e neutrone siano manifestazioni diverse della medesima particella, queste sono associate a caratteristiche e proprietà distinte. Per esempio, un neutrone libero è più massivo di un protone ed è quindi destinato a decadere in un protone con t_1/2 ≅ 10 min: si tratta del decadimento beta. La conservazione della carica richiede anche l'emissione di un elettrone (particella beta^-), mentre semplici considerazioni sulla conservazione dell'energia suggeriscono come il quadro non possa essere completo. La dinamica a due corpi ha una soluzione univoca ed è caratterizzata da distribuzioni di energie semplici e ben definite nel caso di masse estremamente differenti come per il protone e l'elettrone (m_p>>m_e): nel decadimento appena descritto ci si aspetterebbe quindi di osservare elettroni con energia fissata

La distribuzione continua misurata per l'energia cinetica dell'elettrone contraddice il modello pensato dando indizi per l'esistenza di una particella invisibile alla rivelazione: si tratta del neutrino, una particella neutra estremamente elusiva proposta da Pauli nel 1931. Nel 1933, Fermi sfruttò il neutrino come ultimo tassello per spiegare il decadimento beta:

Era l’alba della fisica delle interazioni deboli.

Lo studio del decadimento beta permise l'accesso al concetto di violazione di parità((La simmetria P (o parità) corrisponde all’invarianza delle leggi di un dato sistema sotto inversione spaziale. Detto in parole più semplici, il fenomeno risulta uguale se guardato direttamente o attraverso uno specchio.)), il primo esempio di “rottura” di simmetria trovato in fisica. Mentre infatti per la forza forte e per quella elettromagnetica non si hanno esempi di violazione di parità, l'interazione debole è associata alla mancata conservazione del numero quantico ad essa associato. A proporre il concetto di violazione di parità furono Lee e Yang nel 1957, trovando conferma in un esperimento basato sul decadimento del cobalto60Co (numero atomico 27 e numero di massa 60). Gli elettroni emessi risultavano infatti in numero maggiore in direzione opposta allo spin nucleare rispetto che in direzione parallela, una chiara violazione dell'invarianza dell'operatore di inversione spaziale. La scoperta della violazione di parità permise a Lee e Yang di conseguire il Premio Nobel per la fisica nel 1957 dato il ruolo fondamentale nella comprensione dell'interazione debole. La fisica si stava affacciando al concetto di rottura di simmetria che avrebbe aperto le porte ad un nuovo orizzonte per la fisica fondamentale e per le sue leggi.