Come ha fatto Chadwick a scoprire il neutrone

e delle sue proprietà è stata al centro degli straordinari sviluppi della fisica atomica nella prima metà del XX secolo. All'inizio del secolo, Ernest Rutherford sviluppò un modello grezzo dell'atomo, ^basato sull'esperimento della lamina d'oro di Hans Geiger ed Ernest Marsden. In questo modello, gli atomi avevano la loro massa e carica elettrica positiva concentrate in un nucleo molto piccolo. ^[3] Nel 1920 erano stati scoperti isotopi di elementi chimici, le masse atomiche erano state determinate come multipli (approssimativamente) interi della massa dell'atomo di idrogeno, ^[4] e il numero atomico era stato identificato come la carica sul nucleo. ^{[5] : §1.1.2} Per tutti gli anni '20, il nucleo era visto come composto da combinazioni di protoni ed elettroni, le due particelle elementari conosciute all'epoca, ma quel modello presentava diverse contraddizioni sperimentali e teoriche. ^{[1] : 298}

La natura essenziale del nucleo atomico fu stabilita con la scoperta del neutrone da parte di James Chadwick nel 1932 ^[6] e la determinazione che si trattava di una nuova particella elementare, distinta dal protone. ^{[7] [8] : 55}

Il neutrone non carico fu immediatamente sfruttato come nuovo mezzo per sondare la struttura nucleare, portando a scoperte come la creazione di nuovi elementi radioattivi mediante irradiazione neutronica (1934) e la fissione di atomi di uranio da parte di neutroni (1938). ^[9] La scoperta della fissione portò alla creazione sia dell'energia nucleare che delle armi nucleari entro la fine della seconda guerra mondiale. Sia il protone che il neutrone si presumeva fossero particelle elementari fino agli anni '60, quando si scoprì che erano particelle composite costruite da quark. ^[10]

Scoperta della radioattività

All'inizio del XX secolo, l'acceso dibattito sull'esistenza degli atomi non era ancora stato risolto. Filosofi come Ernst Mach e Wilhelm Ostwald negavano che gli atomi fossero reali, considerandoli un comodo costrutto matematico, mentre scienziati come Arnold Sommerfeld e Ludwig Boltzmann videro che le teorie fisiche richiedevano l'esistenza di atomi. ^{[9] : 13-14}

La radioattività fu scoperta nel 1896 dallo scienziato francese Henri Becquerel, mentre lavorava con materiali fosforescenti. Nel 1898, Ernest Rutherford del Cavendish Laboratory distinse due tipi di radioattività, i raggi alfa e i raggi beta, che differivano nella loro capacità di penetrare o viaggiare in oggetti o gas ordinari. Due anni dopo, Paul Villard scoprì i raggi gamma, che possedevano un potere penetrante ancora maggiore. ^{[1] : 8–9} Queste radiazioni furono presto identificate con particelle note: i raggi beta furono dimostrati essere elettroni da Walter Kaufmann nel 1902; I raggi alfa furono dimostrati essere ioni elio da Rutherford e Thomas Royds nel 1907; e i raggi gamma furono dimostrati essere radiazioni elettromagnetiche, cioè una forma di luce, da Rutherford e Edward Andrade nel 1914. ^{[1] : 61-62, 87} Queste radiazioni erano state identificate anche come emanate dagli atomi, quindi fornivano indizi sui processi che avvenivano all'interno degli atomi. Al contrario, le radiazioni sono state riconosciute anche come strumenti che potrebbe essere sfruttato in esperimenti di scattering per sondare l'interno degli atomi. ^{[11] : 112-115}

Esperimento della lamina d'oro e la scoperta del nucleo atomico

Articolo principale: Esperimenti

di diffusione di Rutherford

All'Università di Manchester tra il 1908 e il 1913, Rutherford diresse Hans Geiger ed Ernest Marsden in una serie di esperimenti per determinare cosa succede quando le particelle alfa si disperdono dalla lamina metallica. Ora chiamato esperimento della lamina d'oro di Rutherford, o esperimento Geiger-Marsden, queste misurazioni hanno fatto la straordinaria scoperta che, sebbene la maggior parte delle particelle alfa che passano attraverso una sottile lamina d'oro subiscano una piccola deflessione, alcune si disperdono ad un angolo elevato. Lo scattering ha indicato che alcune delle particelle alfa sono rimbalzate indietro da un componente piccolo, ma denso, all'interno degli atomi. Sulla base di queste misurazioni, nel 1911 Rutherford era evidente che l'atomo consisteva in un nucleo piccolo e massiccio con carica positiva circondato da una nuvola molto più grande di elettroni caricati negativamente. La massa atomica concentrata era necessaria per fornire la deflessione osservata delle particelle alfa, e Rutherford sviluppò un modello matematico che teneva conto della dispersione. ^{[12] : 188 [2]}

Mentre il modello di Rutherford fu in gran parte ignorato all'epoca, ^[12] quando Niels Bohr si unì al gruppo di Rutherford sviluppò il modello di Bohr per gli elettroni in orbita attorno al nucleo nel 1913 ^[13] e questo alla fine portò a un modello atomico basato sulla meccanica quantistica entro la metà degli anni '20.

Scoperta degli isotopi

In concomitanza con il lavoro di Rutherford, Geiger e Marsden, il radiochimico Frederick Soddy dell'Università di Glasgow studiava chimica problemi relativi ai materiali radioattivi. Soddy aveva lavorato con Rutherford sulla radioattività alla McGill University. ^[14] Nel 1910, circa 40 diversi elementi radioattivi, denominati radioelementi , erano stati identificati tra uranio e piombo, anche se la tavola periodica consentiva solo 11 elementi. Soddy e Kazimierz Fajans scoprirono indipendentemente nel 1913 che un elemento sottoposto a decadimento alfa produrrà un elemento due posti a sinistra nel sistema periodico e un elemento sottoposto a decadimento beta produrrà un elemento un posto a destra nel sistema periodico. Inoltre, quei radioelementi che risiedono negli stessi luoghi nel sistema periodico sono chimicamente identici. Soddy chiamò questi elementi chimicamente identici isotopi. ^{[15] : 3-5 [16]} Per i suoi studi sulla radioattività e la scoperta degli isotopi, Soddy fu insignito del 1921 Premio Nobel per la Chimica. ^[17]

Basandosi sul lavoro di J. J. Thomson sulla deflessione di atomi caricati positivamente da campi elettrici e magnetici, Francis Aston costruì il primo spettrografo di massa presso il Cavendish Laboratory nel 1919. Fu quindi in grado di separare i due isotopi del neon, ²⁰
Ne
e ²²
Ne
. Aston scoprì la regola dei numeri interi, secondo cui le masse di tutte le particelle hanno relazioni numeriche intere con l'ossigeno-16, ^[18] che riteneva avesse una massa esattamente di 16. ^[4] (Oggi la regola dei numeri interi è espressa in multipli di un'unità di massa atomica (amu) rispetto al carbonio-12. ^[19] ). Significativamente, l'unica eccezione a questa regola era l'idrogeno stesso, che aveva un valore di massa di 1,008. La massa in eccesso era piccola, ma ben al di fuori dei limiti dell'incertezza sperimentale.

poiché L'equivalenza massa-energia di Einstein era nota dal 1905, Aston e altri si resero presto conto che la discrepanza di massa è dovuta all'energia di legame degli atomi. Quando il contenuto di un certo numero di atomi di idrogeno è legato in un singolo atomo, l'energia del singolo atomo deve essere inferiore alla somma delle energie dei separati atomi di idrogeno, e quindi la massa del singolo atomo è inferiore alla somma delle masse degli atomi di idrogeno. ^[4] Il lavoro di Aston sugli isotopi gli valse il Premio Nobel per la chimica nel 1922 per la scoperta di isotopi in un gran numero di elementi non radioattivi e per la sua enunciazione della regola del numero intero. ^[20] Notando la recente scoperta di Aston dell'energia di legame nucleare, nel 1920 Arthur Eddington suggerì che le stelle possono ottenere la loro energia fondendo l'idrogeno (protoni) in elio e che gli elementi più pesanti possono formarsi nelle stelle. ^[21]

Numero atomico e

Articolo principale: Legge di Moseley

Rutherford e altri avevano notato la disparità tra la massa di un atomo, calcolata in unità di massa atomica, e la carica approssimativa richiesta sul nucleo affinché il modello di Rutherford funzioni. La carica richiesta del nucleo atomico era di solito circa la metà della sua massa atomica. ^{[22] : 82} Antonius van den Broek ipotizzò audacemente che la carica richiesta, indicata con Z , non fosse la metà del peso atomico per gli elementi, ma fosse invece esattamente uguale alla posizione ordinale dell'elemento nella tavola periodica. ^{[1] : 228} A quel tempo, le posizioni degli elementi nella tavola periodica non erano note per avere alcun significato fisico. Se gli elementi sono stati ordinati in base all'aumento della massa atomica, tuttavia, è stata mostrata una periodicità nelle proprietà chimiche. Eccezioni a questo Le periodicità erano evidenti, tuttavia, come il cobalto e il nichel. ^{[a] [23] : 180}

All'Università di Manchester nel 1913 Henry Moseley discusse il nuovo modello di Bohr dell'atomo con il visitatore Bohr. ^[22] Il modello teneva conto dello spettro di emissione elettromagnetica dall'atomo di idrogeno, e Moseley e Bohr si chiesero se gli spettri di emissione elettromagnetica di elementi più pesanti come il cobalto e il nichel avrebbero seguito il loro ordinamento in base al peso, o dalla loro posizione nella tavola periodica. ^{[24] : 346} Nel 1913-1914 Moseley testò la questione sperimentalmente utilizzando tecniche di diffrazione a raggi X. Scoprì che la linea di lunghezza d'onda corta più intensa nello spettro dei raggi X di un particolare elemento, nota come riga K-alfa, era correlata alla posizione dell'elemento nella tavola periodica, cioè al suo atomico numero, Z . In effetti, Moseley introdusse questa nomenclatura. ^{[5] : §1.1.2} Moseley scoprì che le frequenze della radiazione erano correlate in modo semplice al numero atomico degli elementi per un gran numero di elementi. ^{[25] [5] : 5 [23] : 181}

Nel giro di un anno si notò che l'equazione per la relazione, ora chiamata legge di Moseley, poteva essere spiegata nei termini del modello di Bohr del 1913, con ragionevoli ipotesi aggiuntive sulla struttura atomica in altri elementi. ^{[26] : 87} Il risultato di Moseley, secondo il successivo resoconto di Bohr, non solo stabilì il numero atomico come una quantità sperimentale misurabile, ma gli diede un significato fisico come carica positiva sul nucleo atomico. Gli elementi possono essere ordinati nel sistema periodico in ordine di numero atomico, piuttosto che di peso atomico. ^{[27] : 127} Il risultato legò insieme l'organizzazione della tavola periodica, il modello di Bohr per l'atomo, ^{[28] : 56} e il modello di Rutherford per lo scattering alfa dai nuclei. È stato citato da Rutherford, Bohr e altri come un progresso critico nella comprensione della natura del nucleo atomico. ^[29]

Ulteriori ricerche in fisica atomica furono interrotte dallo scoppio della prima guerra mondiale. Moseley fu ucciso nel 1915 nella battaglia di Gallipoli, ^{[30] [23] : 182} mentre lo studente di Rutherford James Chadwick fu internato in Germania per tutta la durata della guerra, 1914-1918. ^[31] A Berlino, le ricerche di Lise Meitner e Otto Hahn sulla determinazione delle catene di decadimento radioattivo di radio e uranio mediante una precisa separazione chimica è stata interrotta. ^{[9] : §4} Meitner trascorse gran parte della guerra lavorando come radiologo e tecnico medico di raggi X vicino al fronte austriaco, mentre Hahn, un chimico, lavorava alla ricerca nella guerra con gas velenosi. ^{[9] : 61-62, 68}

Nucleo

di

Rutherford

Vedi anche: Scoperta del protone

Nel 1920 Rutherford tenne una conferenza bakeriana alla Royal Society intitolata "Nuclear Constitution of Atoms", un riassunto dei recenti esperimenti sui nuclei atomici e conclusioni sulla struttura dei nuclei atomici. ^{[32] [8] : 23 [5] Nel} 1920, l'esistenza di elettroni all'interno del nucleo atomico era ampiamente assunta. Si presumeva che il nucleo era costituito da nuclei di idrogeno in numero pari alla massa atomica. Ma poiché ogni nucleo di idrogeno aveva carica +1, il nucleo richiedeva un numero minore di "elettroni interni" ciascuno di carica -1 per dare al nucleo la sua carica totale corretta. La massa dei protoni è circa 1800 volte maggiore di quella degli elettroni, quindi la massa degli elettroni è incidentale in questo calcolo. ^{[1] : 230-231} Tale modello era coerente con la dispersione di particelle alfa da nuclei pesanti, così come con la carica e la massa dei molti isotopi che erano stati identificati. C'erano altre motivazioni per il modello protone-elettrone. Come notato da Rutherford all'epoca, "Abbiamo forti ragioni per credere che i nuclei degli atomi contengano elettroni così come corpi caricati positivamente...", ^{[32] : 376-377} vale a dire, era noto che la radiazione beta era elettroni emessi dal nucleo. ^{[8] : 21 [5] : 5–6}

In quella conferenza, Rutherford congetturò l'esistenza di nuove particelle. La particella alfa era nota per essere molto stabile e si presumeva che mantenesse la sua identità all'interno del nucleo. Si presumeva che la particella alfa fosse composta da quattro protoni e due elettroni strettamente legati per darle +2 carica e massa 4. In un articolo del 1919, ^[33] Rutherford aveva riportato l'apparente scoperta di una nuova particella doppiamente carica di massa 3, indicata con l'X++, interpretata come composta da tre protoni e un elettrone strettamente legato. Questo risultato suggerì a Rutherford la probabile esistenza di due nuove particelle: una di due protoni con un elettrone strettamente legato, e un'altra di un protone e un elettrone strettamente legato. In seguito si è determinato che la particella X++ aveva massa 4 ed era solo un alfa a bassa energia particella. ^{[8] : 25} Ciononostante, Rutherford aveva ipotizzato l'esistenza del deuterone, una particella di carica +1 di massa 2, e del neutrone, una particella neutra di massa 1. ^Il primo è il nucleo del deuterio, scoperto nel 1931 da Harold Urey. ^[34] La massa dell'ipotetica particella neutra sarebbe poco diversa da quella del protone. Rutherford determinò che una tale particella a carica zero sarebbe stata difficile da rilevare con le tecniche disponibili. ^{[32] : 396}

All'epoca della conferenza di Rutherford, apparvero altre pubblicazioni con suggerimenti simili di un composto protone-elettrone nel nucleo, e nel 1921 William Harkins, un chimico americano, chiamò la particella non carica neutrone . [^{35] [36] [37] [5] : 6} Più o meno nello stesso periodo la parola protone fu adottata per il nucleo dell'idrogeno. ^[38] Neutrone è stato apparentemente costruito dalla radice latina per neutro e dalla desinenza greca -on (per imitazione di elettrone e protone ). ^{[39] [40]} Tuttavia, riferimenti alla parola neutrone in relazione all'atomo possono essere trovati in letteratura già nel 1899. ^{[1] : 398 [35]}

Rutherford e Chadwick iniziarono immediatamente un programma sperimentale presso il Cavendish Laboratory di Cambridge per cercare il neutrone. ^{[8] : 27 [1] : 398} Gli esperimenti continuarono per tutti gli anni '20 senza successo. ^[6]

La congettura di Rutherford e l'ipotetico "neutrone" non furono ampiamente accettati. Nella sua monografia del 1931 sulla costituzione dei nuclei atomici e la radioattività , George Gamow, allora all'Istituto di Fisica Teorica di Copenaghen, non menzionò il neutrone. ^[41] Al tempo delle loro misurazioni del 1932 a Parigi che avrebbero portato alla scoperta del neutrone, Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot non erano a conoscenza della congettura. ^[42]

Problemi dell'ipotesi degli elettroni nucleari

Per tutti gli anni '20, i fisici assunsero che il nucleo atomico fosse composto da protoni ed "elettroni nucleari". ^{[8] : 29–32 [43]} In base a questa ipotesi, il nucleo di azoto-14 (¹⁴ N) sarebbe composto da 14 protoni e 7 elettroni, in modo da avere un carica netta di +7 unità di carica elementari e una massa di 14 unità di massa atomica. Questo nucleo sarebbe anche orbitato da altri 7 elettroni, chiamati "elettroni esterni" da Rutherford, ^{[32] : 375} per completare l'atomo ¹⁴ N. Tuttavia, i problemi con l'ipotesi sono diventati presto evidenti.

Ralph Kronig sottolineò nel 1926 che la struttura iperfine osservata degli spettri atomici era incoerente con l'ipotesi protone-elettrone. Questa struttura è causata dall'influenza del nucleo sulla dinamica degli elettroni orbitanti. I momenti magnetici dei presunti "elettroni nucleari" dovrebbero produrre divisioni di linee spettrali iperfini simili all'effetto Zeeman, ma tali effetti non sono stati osservati. ^{[44] : 199} Sembrava che il momento magnetico dell'elettrone svanisse quando si trovava all'interno del nucleo. ^{[1] Durante}

una visita all'Università di Utrecht nel 1928, Kronig apprese di un aspetto sorprendente dello spettro rotazionale di N ₂ ⁺ . La misurazione di precisione effettuata da Leonard Ornstein, direttore del Laboratorio di Fisica di Utrecht, ha dimostrato che lo spin del nucleo di azoto deve essere uguale a uno. Tuttavia, se il nucleo di azoto-14 (¹⁴ N) fosse composto da 14 protoni e 7 elettroni, un numero dispari di particelle di spin-1/2, allora lo spin nucleare risultante dovrebbe essere semiintero. Kronig ha quindi suggerito che forse "i protoni e gli elettroni non mantengono la loro identità nella misura in cui lo fanno al di fuori del nucleo". ^{[1] : 299-301 [45] : 117}

Le osservazioni dei livelli di energia rotazionale delle molecole biatomiche utilizzando la spettroscopia Raman di Franco Rasetti nel 1929 erano incoerenti con le statistiche attese dall'ipotesi protone-elettrone. Rasetti ottenne spettri a bande per molecole H ₂ e N ₂. Mentre le linee per entrambe le molecole biatomiche mostravano un'alternanza di intensità tra luce e buio, il modello di alternanza per H ₂ è opposto a quello di N ₂ . Dopo aver analizzato attentamente questi risultati sperimentali, i fisici tedeschi Walter Heitler e Gerhard Herzberg dimostrarono che i nuclei di idrogeno obbediscono alla statistica di Fermi e i nuclei di azoto obbediscono alla statistica di Bose. Tuttavia, un risultato allora inedito di Eugene Wigner mostrò che un sistema composito con un numero dispari di particelle di spin-1/2 deve obbedire alla statistica di Fermi; un sistema con un numero pari di particella di spin-1/2 obbedisce alla statistica di Bose. Se il nucleo di azoto avesse 21 particelle, dovrebbe obbedire alla statistica di Fermi, contrariamente ai fatti. Così, Heitler e Herzberg conclusero: "l'elettrone nel nucleo ... perde il suo capacità di determinare le statistiche del nucleo". ^{[45] : 117-118}

Il paradosso di Klein, ^[46] scoperto da Oskar Klein nel 1928, presentava ulteriori obiezioni di meccanica quantistica alla nozione di un elettrone confinato all'interno di un nucleo. Derivato dall'equazione di Dirac, questo paradosso chiaro e preciso suggerisce che un elettrone che si avvicina a una barriera ad alto potenziale ha un'alta probabilità di passare attraverso la barriera ^[41] attraverso un processo di creazione di coppie. Apparentemente, un elettrone non poteva essere confinato all'interno di un nucleo da alcun pozzo potenziale. Il significato di questo paradosso è stato intensamente dibattuto all'epoca. ^Intorno

al 1930 era generalmente riconosciuto che era difficile riconciliare il modello protone-elettrone per i nuclei con la relazione di indeterminazione di Heisenberg della meccanica quantistica. ^{[44] : 199 [1] : 299} Questa relazione, Δ x ⋅Δ p ≥ 1⁄2 ħ , implica che un elettrone confinato in una regione delle dimensioni di un nucleo atomico ha tipicamente un'energia cinetica di circa 40 MeV, ^{[1] : 299 [b]} che è maggiore dell'energia osservata delle particelle beta emesse dal nucleo. ^[1] Tale energia è anche molto più grande dell'energia di legame dei nucleoni, ^{[47] : 89} che Aston e altri avevano dimostrato essere inferiore a 9 MeV per nucleone. ^Nel

1927, Charles Ellis e W. Wooster al Cavendish Laboratory misurarono le energie degli elettroni a decadimento β. Hanno scoperto che la distribuzione delle energie da qualsiasi particolare I nuclei radioattivi erano ampi e continui, un risultato che contrastava notevolmente con i distinti valori di energia osservati nel decadimento alfa e gamma. Inoltre, la distribuzione continua di energia sembrava indicare che l'energia non era conservata da questo processo di "elettroni nucleari". Infatti, nel 1929 Bohr propose di modificare la legge di conservazione dell'energia per tenere conto della distribuzione continua dell'energia. La proposta ottenne il sostegno di Werner Heisenberg. Tali considerazioni erano apparentemente ragionevoli, in quanto le leggi della meccanica quantistica avevano così recentemente rovesciato le leggi della meccanica classica.

Sebbene tutte queste considerazioni non "dimostrassero" che un elettrone non potesse esistere nel nucleo, erano confuse e difficili da interpretare per i fisici. Molte teorie sono state inventate per spiegare come gli argomenti di cui sopra potrebbero essere sbagliati. ^{[49] : 4-5} Nella sua monografia del 1931, Gamow riassunse tutto queste contraddizioni, contrassegnando le affermazioni riguardanti gli elettroni nel nucleo con simboli di avvertimento. ^{[43] : 23}

Scoperta del neutrone

Nel 1930, Walther Bothe e il suo collaboratore Herbert Becker a Giessen, in Germania, scoprirono che se le particelle alfa energetiche emesse dal polonio cadevano su alcuni elementi leggeri, in particolare il berillio ( ⁹
₄ Be
), il boro ( ¹¹
₅ B
) o il litio ( ⁷
₃ Li
), è stata prodotta una radiazione insolitamente penetrante. ^[50] Il berillio produceva le radiazioni più intense. Il polonio è altamente radioattivo, produce radiazioni alfa energetiche, ed era comunemente usato per esperimenti di scattering all'epoca. ^{[41] : 99-110} La radiazione alfa può essere influenzata da un campo elettrico, perché è composto da particelle cariche. La radiazione penetrante osservata non era influenzata da un campo elettrico, tuttavia, quindi si pensava che fosse una radiazione gamma. La radiazione era più penetrante di qualsiasi raggio gamma conosciuto e i dettagli dei risultati sperimentali erano difficili da interpretare.

Due

anni dopo, Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot a Parigi dimostrarono che se questa radiazione sconosciuta cadeva sulla cera di paraffina, o su qualsiasi altro composto contenente idrogeno, espelleva protoni di energia molto elevata (5 MeV). ^Questa osservazione non era di per sé incoerente con la presunta natura di raggi gamma della nuova radiazione. ma quell'interpretazione (scattering di Compton) aveva un problema logico. Da considerazioni sull'energia e sulla quantità di moto, un raggio gamma dovrebbe avere un'energia incredibilmente alta (50 MeV) per diffondere un protone massiccio. ^{[5] : §1.3.1} A Roma, il giovane fisico Ettore Majorana dichiarò che il modo in cui la nuova radiazione interagiva con i protoni richiedeva una particella neutra pesante come un protone, ma rifiutò di pubblicare il suo risultato nonostante l'incoraggiamento di Enrico Fermi. ^[54]

Sentendo dei risultati di Parigi, Rutherford e James Chadwick del Cavendish Laboratory non credettero all'ipotesi dei raggi gamma poiché non riusciva a conservare energia. ^[55] Assistito da Norman Feather, ^Chadwick eseguì rapidamente una serie di esperimenti che dimostrarono che l'ipotesi dei raggi gamma era insostenibile. L'anno precedente, Chadwick, J.E.R. Constable e E.C. Pollard avevano già condotto esperimenti sulla disintegrazione degli elementi leggeri utilizzando la radiazione alfa del polonio. ^[57] Avevano anche sviluppato una e metodi efficienti per rilevare, contare e registrare i protoni espulsi. Chadwick ripeté la creazione della radiazione usando il berillio per assorbire le particelle alfa: ⁹ Be + ⁴ He (α) → ¹² C + ¹ n. Dopo l'esperimento di Parigi, puntò la radiazione sulla cera di paraffina, un idrocarburo ad alto contenuto di idrogeno, che quindi offriva un bersaglio denso di protoni. Come nell'esperimento di Parigi, la radiazione ha disperso energeticamente alcuni dei protoni. Chadwick misurò la portata di questi protoni e misurò anche come la nuova radiazione influenzò gli atomi di vari gas. ^[58] Le misure dell'energia di rinculo mostrarono che la massa delle particelle di radiazione doveva essere simile alla massa del protone: la nuova radiazione non poteva essere costituita da raggi gamma. Le particelle non cariche con circa la stessa massa del protone corrispondevano alle proprietà descritte da Rutherford nel 1920 e che avevano in seguito furono chiamati neutroni. ^{[59] [6] [60] [61]} Chadwick vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 1935 per questa scoperta. ^[62]

L'anno 1932 fu in seguito indicato come l'"annus mirabilis" per la fisica nucleare nel Cavendish Laboratory, ^[58] con le scoperte del neutrone, la disintegrazione nucleare artificiale dall'acceleratore di particelle di Cockcroft-Walton e il positrone.

Modello protone-neutrone del nucleo

Dati i problemi del modello protone-elettrone , ^{[43] [63]} è stato rapidamente accettato che il nucleo atomico è composto da protoni e neutroni, anche se la natura precisa del neutrone non era inizialmente chiara. Pochi mesi dopo la scoperta del neutrone, Werner Heisenberg ^{[64] [65] [66] [61]} e Dmitri Ivanenko ^[67] avevano proposto modelli protone-neutrone per il nucleo. ^[68] Gli articoli di riferimento di Heisenberg si sono avvicinati alla descrizione di protoni e neutroni nel nucleo attraverso la meccanica quantistica. Mentre la teoria di Heisenberg per i protoni e i neutroni nel nucleo era un "passo importante verso la comprensione del nucleo come un sistema meccanico quantistico", ^[69] egli assumeva ancora la presenza di elettroni nucleari. In particolare, Heisenberg assunse che il neutrone fosse un composto protone-elettrone, per il quale non esiste una spiegazione meccanica quantistica. Heisenberg non aveva alcuna spiegazione su come gli elettroni leggeri potessero essere legati all'interno del nucleo. Heisenberg introdusse la prima teoria delle forze di scambio nucleare che legano i nucleoni. Considerava i protoni e i neutroni come stati quantistici diversi della stessa particella, cioè, nucleoni distinti dal valore dei loro numeri quantici di isospin nucleare.

Il modello protone-neutrone ha spiegato il puzzle del diazoto. Quando è stato proposto che ¹⁴ N consistesse di 3 coppie di protoni e neutroni, con un neutrone e un protone non accoppiati aggiuntivi che contribuivano ciascuno con uno spin di 1⁄2 ħ nella stessa direzione per uno spin totale di 1 ħ, il modello è diventato praticabile. ^{[70] [71] [72]} Ben presto, i neutroni furono utilizzati per spiegare naturalmente le differenze di spin in molti nuclidi diversi allo stesso modo.

Se il modello protone-neutrone per il nucleo ha risolto molti problemi, ha evidenziato il problema di spiegare le origini della radiazione beta. Nessuna teoria esistente potrebbe spiegare come gli elettroni, o positroni, ^[73] possano emanare dal nucleo. ^[74] Nel 1934 Enrico Fermi pubblicò il suo classico articolo che descriveva Il processo di decadimento beta, in cui il neutrone decade in un protone creando un elettrone e un neutrino (non ancora scoperto). ^[75] L'articolo utilizzava l'analogia che i fotoni, o radiazioni elettromagnetiche, venivano creati e distrutti in modo simile nei processi atomici. Ivanenko aveva suggerito un'analogia simile nel 1932. ^La teoria di Fermi richiede che il neutrone sia una particella di spin-1⁄2. La teoria preservava il principio di conservazione dell'energia, che era stato messo in discussione dalla distribuzione continua di energia delle particelle beta. La teoria di base per il decadimento beta proposta da Fermi fu la prima a mostrare come le particelle potessero essere create e distrutte. Ha stabilito una teoria generale e di base per l'interazione delle particelle da parte di forze deboli o forti. ^[75] Sebbene questo influente documento abbia superato la prova del tempo, le idee al suo interno erano così nuove che quando fu presentato per la prima volta alla rivista Nature nel 1933 fu respinto perché troppo speculativo. ^[69]

Natura del neutrone

La questione se il neutrone fosse una particella composta da un protone e un elettrone persistette per alcuni anni dopo la sua scoperta. ^Nel 1932 Harrie Massey esplorò un modello per un neutrone composito per spiegare il suo grande potere penetrante attraverso la materia e la sua neutralità elettrica. ^[79] Ad esempio. La questione era un'eredità dell'opinione prevalente dagli anni '20 secondo cui le uniche particelle elementari erano il protone e l'elettrone.

La natura del neutrone fu un argomento primario di discussione alla 7ª Conferenza Solvay tenutasi nell'ottobre 1933, a cui parteciparono Heisenberg, Niels Bohr, Lise Meitner, Ernest Lawrence, Fermi, Chadwick e altri. ^[80] Come posto da Chadwick nella sua Bakerian Lecture nel 1933, la questione principale era la massa del neutrone rispetto al protone. Se la massa del neutrone fosse inferiore alle masse combinate di un protone e di un elettrone (1,0078 Da), allora il neutrone potrebbe essere un composto protone-elettrone a causa del difetto di massa dovuto all'energia di legame nucleare. Se maggiore delle masse combinate, allora il neutrone era elementare come il protone. ^[60] La domanda è stata difficile da rispondere perché la massa dell'elettrone è solo lo 0,05% di quella del protone, quindi sono state necessarie misurazioni eccezionalmente precise.

La difficoltà di effettuare la misura è illustrata dai valori ad ampio raggio per la massa del neutrone ottenuti dal 1932 al 1934. Il valore accettato oggi è 1,00866 Da. Nell'articolo di Chadwick del 1932 che riportava la scoperta, stimò che la massa del neutrone fosse compresa tra 1,005 Da e 1,008 Da. ^[55] Bombardando il boro con particelle alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie ottennero un valore elevato di 1,012 Da, mentre il team di Ernest Lawrence dell'Università della California misurò il piccolo valore di 1,0006 Da utilizzando il loro nuovo ciclotrone. ^[81]

Nel 1935 Chadwick e il suo studente di dottorato Maurice Goldhaber risolsero il problema riportando la prima misurazione accurata della massa del neutrone. Hanno usato i raggi gamma da 2,6 MeV di tallio-208 (²⁰⁸ Tl) (allora noto come torio C") per fotodisintegrare il deuterone. ^[82]

In questa reazione, il protone e il neutrone risultanti hanno circa la stessa energia cinetica, poiché le loro masse sono circa uguali. L'energia cinetica del protone risultante potrebbe essere misurata (0,24 MeV), e quindi l'energia di legame del deuterone potrebbe essere determinata (2,6 MeV − 2(0,24 MeV) = 2,1 MeV, o 0,0023 Da). La massa del neutrone potrebbe quindi essere determinata dal semplice bilancio di massa

m d

+

b.e.

=

m p

+

m n

dove m _d,p,n Si riferiscono alla massa del deuterone, del protone o del neutrone, e "B.E." è l'energia di legame. Le masse del deuterone e del protone erano note; Chadwick e Goldhaber hanno usato i valori 2,0142 Da e 1,0081 Da, rispettivamente. Hanno scoperto che la massa del neutrone era leggermente maggiore della massa del protone 1,0084 Da o 1,0090 Da, a seconda del valore preciso utilizzato per la massa del deuterone. ^[7] La massa del neutrone era troppo grande per essere un composto protone-elettrone, e il neutrone era quindi identificata come una particella elementare. ^[55] Chadwick e Goldhaber predissero che un neutrone libero sarebbe stato in grado di decadere in un protone, elettrone e neutrino (decadimento beta).

Fisica dei neutroni negli anni '30

Vedi anche: Momento magnetico del nucleone, Enrico Fermi, Lise Meitner, Otto Hahn e Scoperta della fissione nucleare

Poco dopo la scoperta del neutrone, prove indirette suggerivano che il neutrone avesse un valore inaspettato diverso da zero per il suo momento magnetico. I tentativi di misurare il momento magnetico del neutrone ebbero origine con la scoperta di Otto Stern nel 1933 ad Amburgo che il protone aveva un momento magnetico anomalo e grande. ^Nel 1934 gruppi guidati da Stern, ora a Pittsburgh, e I. I. Rabi a New York avevano dedotto indipendentemente che il momento magnetico del neutrone era negativo e inaspettatamente grande misurando i momenti magnetici di il protone e il deuterone. ^{[78] [85] [86] [87] [88]} I valori per il momento magnetico del neutrone sono stati determinati anche da Robert Bacher ^[89] (1933) ad Ann Arbor e I.Y. Tamm e S.A. Altshuler ^{[78] [90]} (1934) da studi sulla struttura iperfine degli spettri atomici. Alla fine degli anni '30 i valori accurati per il momento magnetico del neutrone erano stati dedotti dal gruppo di Rabi utilizzando misure che impiegavano tecniche di risonanza magnetica nucleare di nuova concezione. ^[88] Il grande valore per il momento magnetico del protone e il valore negativo dedotto per il momento magnetico del neutrone erano inaspettati e sollevavano molte domande. ^[78]

La scoperta del neutrone ha immediatamente fornito agli scienziati un nuovo strumento per sondare le proprietà dei nuclei atomici. Le particelle alfa erano state utilizzate nei decenni precedenti in esperimenti di scattering, ma tali particelle, che sono nuclei di elio, hanno carica +2. Questa carica rende difficile per le particelle alfa superare la forza repulsiva di Coulomb e interagire direttamente con i nuclei degli atomi. Poiché i neutroni non hanno carica elettrica, non devono superare questa forza per interagire con i nuclei. Quasi in coincidenza con la loro scoperta, i neutroni furono utilizzati da Norman Feather, collega e protetto di Chadwick, in esperimenti di scattering con l'azoto. ^[91] Feather fu in grado di dimostrare che i neutroni che interagiscono con i nuclei di azoto si disperdono in protoni o inducono l'azoto a disintegrarsi per formare boro con l'emissione di una particella alfa. Feather fu quindi il primo a dimostrare che i neutroni producono disintegrazioni nucleari.

A Roma, Enrico Fermi e la sua squadra bombardarono più pesantemente neutroni e ha scoperto che i prodotti erano radioattivi. Nel 1934 avevano usato i neutroni per indurre radioattività in 22 elementi diversi, molti di questi elementi di alto numero atomico. Notando che altri esperimenti con neutroni nel suo laboratorio sembravano funzionare meglio su un tavolo di legno che su un tavolo di marmo, Fermi sospettò che i protoni del legno rallentassero i neutroni e quindi aumentassero la possibilità per il neutrone di interagire con i nuclei. Fermi quindi fece passare i neutroni attraverso la cera di paraffina per rallentarli e scoprì che la radioattività di alcuni elementi bombardati aumentava di un fattore da decine a centinaia. ^[92] La sezione d'urto per l'interazione con i nuclei è molto più grande per i neutroni lenti che per i neutroni veloci. Nel 1938 Fermi ricevette il Premio Nobel per la Fisica "per le sue dimostrazioni dell'esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dall'irradiazione neutronica, e per la sua relativa scoperta di reazioni nucleari provocate da neutroni lenti". ^{[93] [94]} Più tardi, Fermi raccontò a Chandrasekhar che originariamente aveva intenzione di mettere un pezzo di piombo lì, ma una sensazione inspiegabile e intuitiva lo fece mettere invece una paraffina nel punto.

A Berlino, la collaborazione di Lise Meitner e Otto Hahn, insieme al loro assistente Fritz Strassmann, promosse la ricerca iniziata da Fermi e dal suo team quando bombardarono l'uranio con neutroni. Tra il 1934 e il 1938, Hahn, Meitner e Strassmann trovarono un gran numero di prodotti di trasmutazione radioattivi da questi esperimenti, che consideravano tutti transuranici. ^[97] I nuclidi transuranici sono quelli che hanno un numero atomico maggiore dell'uranio (92), formati per assorbimento neutronico; tali nuclidi non sono naturalmente che si verificano. Nel luglio 1938, Meitner fu costretta a sfuggire alle persecuzioni antisemite nella Germania nazista dopo l'Anschluss, e fu in grado di assicurarsi una nuova posizione in Svezia. L'esperimento decisivo del 16-17 dicembre 1938 (utilizzando un processo chimico chiamato "frazionamento radio-bario-mesotorio") produsse risultati sconcertanti: quelli che avevano capito essere tre isotopi del radio si comportavano invece coerentemente come bario. ^[9] Il radio (numero atomico 88) e il bario (numero atomico 56) appartengono allo stesso gruppo chimico. Nel gennaio 1939 Hahn aveva concluso che quelli che avevano pensato fossero nuclidi transuranici erano invece nuclidi molto più leggeri, come bario, lantanio, cerio e platinoidi leggeri. Meitner e suo nipote Otto Frisch interpretarono immediatamente e correttamente queste osservazioni come il risultato della fissione nucleare, un termine coniato da Frisch. ^[98]

Hahn e i suoi collaboratori avevano rilevato il Scissione di nuclei di uranio, resi instabili dall'assorbimento di neutroni, in elementi più leggeri. Meitner e Frisch hanno anche dimostrato che la fissione di ogni atomo di uranio rilascerebbe circa 200 MeV di energia. La scoperta della fissione elettrizzò la comunità globale dei fisici atomici e il pubblico. ^[9] Nella loro seconda pubblicazione sulla fissione nucleare, Hahn e Strassmann predissero l'esistenza e la liberazione di neutroni aggiuntivi durante il processo di fissione. ^[99] Frédéric Joliot e il suo team dimostrarono che questo fenomeno era una reazione a catena nel marzo 1939. Nel 1945 Hahn ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1944 "per la sua scoperta della fissione dei nuclei atomici pesanti". ^{[100] [101]}

Dopo il 1939

Vedi anche: Chicago Pile-1 e Cronologia delle scoperte di particelle

La scoperta della fissione nucleare alla fine del 1938 segnò uno spostamento dei centri di ricerca nucleare dall'Europa agli Stati Uniti. Un gran numero di scienziati stava migrando negli Stati Uniti per sfuggire ai problemi e all'antisemitismo in Europa e alla guerra incombente ^{[102] : 407-410} (vedi Scienziati ebrei e il Progetto Manhattan). I nuovi centri di ricerca nucleare furono le università degli Stati Uniti, in particolare la Columbia University di New York e l'Università di Chicago dove Enrico Fermi si era trasferito^{, e} una struttura di ricerca segreta a Los Alamos, New Mexico, fondata nel 1942, la nuova sede del progetto Manhattan. ^[105] Questo progetto in tempo di guerra era incentrato sulla costruzione di armi nucleari, sfruttando l'enorme energia rilasciata dalla fissione dell'uranio o del plutonio attraverso reazioni a catena basate su neutroni.

Le scoperte del Il neutrone e il positrone nel 1932 furono l'inizio delle scoperte di molte nuove particelle. I muoni furono scoperti nel 1936. Pioni e kaoni furono scoperti nel 1947, mentre le particelle lambda furono scoperte nel 1950. Durante gli anni '50 e '60, è stato scoperto un gran numero di particelle chiamate adroni. Uno schema di classificazione per l'organizzazione di tutte queste particelle, proposto indipendentemente da Murray Gell-Mann ^[106] e George Zweig ^{[107] [108]} nel 1964, divenne noto come il modello a quark. Secondo questo modello, particelle come il protone e il neutrone non erano elementari, ma composte da varie configurazioni di un piccolo numero di altre particelle veramente elementari chiamate partoni o quark. Il modello a quark ha ricevuto una verifica sperimentale a partire dalla fine degli anni '60 e ha finalmente fornito una spiegazione per il momento magnetico anomalo del neutrone. ^{[109] [10]}

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Riferimenti