Il “forte” legame fra J. J. Thomson, Niels Bohr ed Ernest Rutherford

Era il lontano 1884 quando Joseph John Thomson, a una settimana dal suo ventottesimo compleanno, diventava  il terzo direttore del laboratorio di fisica sperimentale ‘Cavendish’ nella prestigiosa Università di Cambridge. Questo era il luogo dove ogni studente frequentante il Dipartimento di Fisica sognava segretamente di lavorare, dopo aver conseguito la laurea e l’ambizioso dottorato. Solo che per chi conosceva la famiglia di quel ragazzo un po’ taciturno, questa fu una notizia abbastanza sorprendente.

Dovete sapere che J.J Thomson non aveva nessuno scienziato in famiglia. Era il primo figlio di un libraio abbastanza conosciuto dai cittadini di una Londra d’altri tempi. Immaginatevi quindi le loro facce nel momento in cui il padre dava loro la notizia che l’attività di famiglia non sarebbe continuata per via di una diversa scelta di carriera portata avanti dal figlio che con la sua faccia per bene, aveva saputo dimostrarsi all’altezza delle aspettative in lui riposte arrivando niente poco di meno che alla direzione del Cavendish. Ricordiamoci che il prestigioso centro di ricerca sperimentale era stato affidato in precedenza niente poco di meno che a James Clerk Maxwell (colui che dimostrò come l’elettricità, il magnetismo e la luce siano in realtà tutte manifestazioni del campo elettromagnetico) e a Lord Rayleigh (Nobel nel 1904; rettore dell’Università di Cambridge; scoprì la presenza di Argon nell’atmosfera diventando noto per i suoi studi sulla diffusione della luce e la natura dei colori).

Non bisogna omettere un dato piuttosto importante: Thomson – e la sua giovane verve – era appena agli inizi. Quindi, se qui in Italia siamo generalmente abituati a vedere alla direzione di interi dipartimenti e laboratori di ricerca esperti arrivate ad uno stadio importante della carriera, dovremmo esserne abbastanza sorpresi. Come per ogni novità, i primi commenti legati a questa giovane figura non tardarono ad arrivare. Iniziamo col dire che più di uno fra i suoi assistenti (la crème de la crème dei talenti scientifici del panorama britannico) riconosceva il suo essere profondamente impacciato nel maneggiare strumenti di precisione. Le sue dita erano rigide come pezzi di legno. Una qualità non proprio ottimale per un fisico sperimentale che doveva testare la veridicità delle teorie avanzate dai colleghi teorici mediante esperimenti elaborati ad hoc, selezionando i componenti utili, la loro possibile interazione e unione, fino ad arrivare alla verifica del loro funzionamento in un esperimento efficace. “È inutile nascondervi come Thomson fosse impacciato con le dita”, ammise più tardi uno dei suoi assistenti che sottolineò più volte come non fosse necessario “incoraggiarlo a maneggiare gli strumenti”.

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J.J Thomson

Eppure, Thomson, nonostante avesse un “tocco” come dire, poco delicato, riuscì ad arrivare ad un punto che può essere considerato epico, anche da parte di chi di scienza capisce molto poco o non si vuole interessare affatto. Sì, avete intuito bene Thomson vinse il premio Nobel per la Fisica nel 1906 perché fu proprio lui a scoprire – e a darne una prova quantitativa – l’elettrone!

La scoperta avvenne ben nove anni prima. Nel 1897, grazie al tubo di Crookes in cui una volta applicata la differenza di potenziale fra gli elettrodi presenti alle sue estremità (l’anodo e il catodo, per intenderci) e tale da far raggiungere al sistema 10.000 volt così da far calare la pressione interna allo strumento, si riusciva ad osservare la presenza di alcuni “raggi luminosi”: gli elettroni.

Ognuno di noi ha i suoi punti di forza, giusto? Ebbene, anche nel caso di Thomson i suoi colleghi non mancarono nel mettere bene in evidenza che la sua era un’autentica “capacità intuitiva di comprendere a fondo il funzionamento di un’apparecchiatura complessa, senza il bisogno di maneggiarla”.

L’accento si poneva sulle sue abilità d’intuizione e osservazione; qualità capaci di far arrivare un giovane laureato ad una posizione molto importante, all’interno di un contesto di eccellenza e di numerose aspettative legate al ruolo che rappresentava.

Thomson se la cavava bene anche dal punto di vista umano. Amava la sua occupazione, ed era naturalmente cortese verso tutti i suoi studenti. Certo, l’aspetto disordinato, gli occhiali dalla montatura ovale, la giacca di tweed e il colletto rigido della camicia erano elementi che contribuivano a farne un esempio di professore un po’ sulle sue, come dire, distratto e un nostalgico di tempi passati. Probabilmente una new entry del laboratorio si sarebbe accorta del suo atteggiamento “vintage” quasi nell’immediato. Solo che lui aveva un punto di forza ineguagliabile per chi passava la maggior parte della giornata al suo cospetto, assetato di sapere i segreti della fisica sperimentale: la sensibilità e l’essere pienamente disponibile verso le richieste e le critiche mosse dai suoi studenti.

Thomson viveva per loro.

Tenete presente che la prima volta che il giovane Niels Bohr (anche lui, futuro premio Nobel per la fisica nel 1922 per il suo contributo nell’aver compreso la struttura dell’atomo) mise piede nel suo ufficio agitando affannosamente un foglio di carta dove si riusciva a intravedere una bozza di tesi, in contrasto con quanto detto dal libro di testo, Thomson non batté ciglio quando l’energico e appassionato studente che aveva di fronte gli disse che aveva appena fatto un errore in un’equazione spiegata a lezione.

Per dare il giusto peso a questa scena, ricordatevi l’estremo rigore e l’aplomb (quasi innato direi) che avevano reso distinguibile la società inglese agli occhi altrui. Insomma, non era una cosa ammissibile o ragionevole esprimere con tale veemenza le proprie idee, di fronte ad un professore universitario. Una delle massime cariche legate al mondo dell’istruzione. Bohr aveva appena fatto intendere a Thomson, che la sua preparazione o la sua distrazione veniva notata come fallace da una parte dei suoi allievi che si erano iscritti a Cambridge per avere il massimo dell’istruzione in ambito di Fisica.

Bene, detto ciò, provate a mettere da parte ogni possibile conclusione azzardata. L’intento del giovane Bohr era solo di fare una bella impressione di fronte al suo mentore. Voleva sembrare acuto e attento ai dettagli risaltati all’occhio durante una lezione che, per via della sua passione, aveva ascoltato con estremo zelo.

Solo che, come dire, non aveva trovato il modo giusto per esprimersi. Capita anche ai migliori di fare qualche errore, quindi fateci l’abitudine.

Molto spesso – rispetto a quanto si possa credere – le menti sensibili e completamente dedicate all’oggetto di conoscenza/ ricerca in cui si vogliono raggiungere alti livelli, mettono da parte quella natura immedesimazione nell’interlocutore che hanno di fronte. Il loro pensiero è semplicemente dedicato ad altro. E – come vedrete – questo avrà quasi sempre la meglio su ogni possibile relazione “umana” e sentimentale; ma ciò non significa che la stima fra colleghi debba venir meno.

Fu così che, un Thomson oberato di lavoro, con una scrivania stracolma di materiale e articoli da portare avanti e impegni accademici di primaria importanza, promise a quel giovane e avventato studente danese di trovare il modo di leggere il suo lavoro. La discussione a cui aveva appena assistito gli era rimasta impressa, e sentiva che meritava uno spazio, del tempo e la calma necessaria che solo un pranzo domenicale poteva garantire… Come immaginate, Bohr non tardò un minuto nell’accettare l’invito a casa del suo ammirato mentore.

Anzi, colse l’occasione per raccontare in famiglia quanto accaduto.

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Niels Bohr

Accadeva spesso che la sua naturale e sincera passione per la fisica fosse condivisa con i propri cari, fra i quali uno in particolare non perdeva mai l’occasione di di leggere le notizie provenienti dal campus dell’Università di Cambridge: il fratello Harald. Un ragazzo che, al pari del fratello, era piuttosto dotato: all’abilità per il calcolo associava quella per il pallone. Forse un po’ ci meraviglia che – parallelamente ai suoi studi di dottorato in matematica – diventò anche un calciatore della nazionale di calcio danese!

Sì, avete capito bene… Harald Bohr, che oltre ad essere entrato negli annali della storia per il suo contributo nella ricerca in matematica, fu scelto per entrare nella nazionale con cui vinse un argento alle olimpiadi estive del 1908!

 

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Lo so che siete meravigliati della cosa, ma dopo questa notizia sono certa che sarete ancora più convinti del fatto che le menti brillanti, per dare il meglio di sé ed eccellere nel proprio impegno accademico, devono lasciare sempre aperta una finestra all’impegno sociale e verso le proprie passioni.

Bohr raccontava ad Harold i suoi progressi scientifici e personali, lasciando trasparire il suo naturale entusiasmo per quel periodo universitario lontano da casa. Egli vedeva nel fratello un amico presente e partecipe dei suoi tormenti e dei pensieri riguardanti la figura del mentore verso cui voleva fare bella figura.

Queste parole possono darcene un’idea:

  • “la collaborazione con Thomson non si è dimostrata così semplice come avevo pensato il primo giorno”

  • Egli “è un uomo eccellente, bravissimo e ricco di immaginazione (dovresti sentire una delle sue lezioni elementari), estremamente amichevole ma talmente occupato con così tante cose, e così assorto dal suo lavoro che è molto difficile riuscire a parlargli.

Un’altra cosa che riguarda la figura di Niels Bohr vi potrà incuriosire.

Vi starete per chiedere cosa sarà mai… Giusto? Beh, magari vi aspetterete che io vi stia ad elencare qualche stramberia caratteriale in linea con i personaggi di The Big Bang Theory. Serie TV che ha contribuito a generare l’idea che i fisici (e gli scienziati in generale) siano dei tipi un po’ strani, ai quali non bisogna dare troppa confidenza o attenzioni pena il rimanerne delusi; o peggio offesi. Niente di più errato!

Oltre all’impegno profuso verso il proprio lavoro, sono persone splendide, definite da uno spiccato senso dell’altruismo e sempre pronti a dedicarsi a una buona causa o ad un problema da risolvere. Avrete modo di scoprirlo quando riuscirete a parlare con un “esemplare autoctono” dedicato alla ricerca durante le occasioni in cui i laboratori INFN e i vari dipartimenti universitari nazionali aprono le porte alla cittadinanza per far conoscere il proprio lavoro ,descrivendo con sincera passione gli attuali e futuri obbiettivi da perseguire con lo scopo di far avanzare la conoscenza comunitaria.

OK, ora se ci avete pensato almeno un po’ vi svelo che la “stramberia” di Bohr riguardava niente poco di meno che la scrittura….Lo so, siete meravigliati della cosa. Una cosa così semplice ed immediata, dava noia a colui che fu considerato uno dei geni della fisica moderna. Solo che Bohr non lo faceva apposta a “soffrire” nel mettersi a scrivere a lungo i propri pensieri su carta. Un blocco che non intaccò minimamente la sua dedizione al pensiero scientifico e la scelta selettiva della parola capace di lasciar intendere quanto volesse dire. Bohr era capace di riflettere per ore, camminando di fronte allo scritto da portare a termine, su quale fosse il termine perfettamente calzante con gli obiettivi e all’introduzione del suo discorso. Ma se ci pensate un attimo, questo atteggiamento è non solo indice di estremo rigore e precisione per il proprio lavoro, ma anche di sagacia per le domande a cui si accetta di (provare a) rispondere.

Bohr aveva un “bacino” particolare in cui sceglieva i fortunati “segretari” responsabili di trascrivere i suoi lumi 🙂 La selezione riguardava l’unica area a lui disponibile, che fosse anche capace di rispettare dei criteri intellettivi di livello: la sua famiglia.

La madre gli scrisse la tesi di dottorato (beh, in questo caso si guardò bene nello scegliere l’esponente dotata di più pazienza!), il fratello Harold fu l’autore meccanico (Niels era maestro nei suoi dettati, articolava le parole senza mai ripetersi, andando dritto al punto) del suo primo articolo specialistico in fisica sperimentale, condotto nel laboratorio di fisiologia del padre; mentre invece la moglie fu l’autrice di numerosi articoli e del materiale selezionato e rielaborato in vista di centinaia di seminari e convegni specialistici a cui partecipò nel corso della sua lunga e feconda carriera.

Probabilmente ora vi starete chiedendo come mai, se il post doveva parlare anche dei trait d’union fra Thomson e Rutherford, io stia ancora continuando a parlarvi di Niels Bohr…

Avete ragione, vi chiedo di avere ancora un pizzico di pazienza.

Se Niels Bohr sopportava abbastanza bene la mancanza della famiglia e delle abitudini che prima ne segnavano la routine domestica, c’era una cosa che continuava ad essere per lui un elemento di frustrazione.

Tenete sempre presente che era danese. Quindi scartando le maggiori noie che potremmo avere noi italiani nell’andare a studiare in Inghilterra, ovvero le abitudini culinarie e il clima profondamente diversi, cosa rimane?

La lingua inglese;esattamente. Per lui l’andare oltre questa barriera non era affatto facile. Fatto sta che Bohr era un tipo fortunato; ora ne capirete il perché.

Il padre, come vi ho già detto, era un docente affermato nella facoltà di fisiologia di Copenaghen e, come spesso accade, aveva piacere nel rimanere in contatto con gli studenti che avevano scelto la carriera universitaria. Fra questi uno in particolare, Lorrain Smith, dopo aver terminato i suoi studi in terra danese e l’aver intrapreso la strada della ricerca, era riuscito a diventare docente di fisiologia all’Università di Manchester. Fu proprio Smith ad aiutare Bohr sui dilemmi della lingua inglese, presentandogli anche Ernest Rutherford una volta che l’amico tornò a casa dal congresso Solvay annuale tenutosi in Belgio. Probabilmente avrete già sentito parlare di questa serie di appuntamenti, quindi perdonatemi se vi rinfresco la memoria :-).

Il nobile belga Solvay, figura nobiliare come non se ne vedono più (da molto tempo ormai!), era solito radunare le migliori menti scientifiche facendole soggiornare nel suo palazzo di Bruxelles per discutere delle nuove sfide e delle aspettative legate alla ricerca. Il palazzo di cui parlo era luogo sfarzoso, imponente, simbolo della nobiltà mitteleuropea in cui i preziosi e l’inestimabile valore degli artefatti osservabili fra una stanza e l’altra, acquistavano una nuova luce grazie alle idee dei rappresentanti del genio umano che avevano accettato l’invito nel mettere da parte – per qualche giorno – i loro esperimenti a favore dell’avanzamento e della condivisione delle proprie ricerche.

Solvay era padrone di far avvenire, lungo il tempo massimo di una settimana, l’unione fra materialità e sapienza, favorendo lo scambio di idee e le nuove implicazioni teoriche degli studi portati avanti dai migliori fisici mitteleuropei: 21 menti brillanti (molti dei quali futuri premi Nobel) capaci di gettar luce sui progressi e gli obiettivi della fisica da lì fino ai prossimi anni.

Bohr notò subito il carisma di Rutherford, scienziato neozelandese arrivato in Inghilterra grazie a uno straordinario talento per le scienze e un naturale spirito d’intraprendenza. Probabilmente furono queste le due caratteristiche che lo portarono a vincere una serie di borse di studio per continuare il suo percorso di ricerca e sognare in grande. Considerando i suoi mezzi di partenza, il cammino tutto in salita ciò che riuscì a compiere non fu scontato. Rutherford era figlio di una famiglia modesta (sua madre era insegnante e suo padre lavorava in un linificio) che abitava su un’isola del sud in Nuova Zelanda dove probabilmente l’unica fonte di rumore “molesto” che poteva arrecare qualche disturbo ai suoi pensieri matematici proveniva dalle numerosi liti portate avanti dai suoi dodici fratelli.

Nel maggio del 1907, Rutherford aveva iniziato a prendere ufficialmente servizio come nuovo professore di fisica all’Università di Manchester. Con il suo carattere forte e le sue maniere, notoriamente poco ortodosse, aveva letteralmente messo in subbuglio l’intero Istituto alla ricerca del suo studio: “Rutherford saliva i gradini tre alla volta, ed era orribile vedere un professore fare le scale a quel modo” raccontò uno dei suoi assistente di laboratorio che da bravo inglese aveva subito notato la sua “diversità” rispetto al resto.

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Ernest Rutherford

Un’affermazione che sarebbe risultata temporanea, considerando che nel giro di poche settimane quell’uomo dalla sconfinata energia e dall’atteggiamento informale e carismatico riuscì a conquistare le simpatie di tutti i colleghi e degli studenti che si apprestavano a sentirne le lezioni. La sua passione si trasferiva sul gruppo di lavoro e i risultati ottenuti dal suo gruppo di ricerca non temevano confronti. Sembrava che fosse la personalità di Rutherford a plasmare l’entusiasmo dei suoi studenti e il contenuto denso dei loro studi. Frutto di un giudizio scientifico e di un’inventiva assorbita dal loro maestro; autentica musa ispiratrice. Rutherford oltre ad essere il capo di quel gruppo (in chiave formale) si era fatto conoscere (in chiave pratica) come il suo intimo cuore pulsante.

Se questo può gettare luce a favore di quanto raccontatovi prima sull’animo dei fisici e sulla loro sensibilità, è bene dire anche che le cose all’inizio erano ben diverse. Quando, nell’ottobre del 1895, Rutherford riuscì ad arrivare all’agognata Università di Cambridge sotto l’anelata egida di Thomson ottenendo una borsa tale da permettergli di concentrarsi negli studi, egli era una persona ben diversa dall’uomo pieno di fiducia in sé stesso che sarebbe diventato di lì a poco.

Nel giro di pochi mesi dal suo arrivo in terra inglese, Rutherford (proseguendo la sua ricerca sulle onde radio) mise a punto un rivelatore funzionante, su cui pensò anche di ricavarne del denaro. Eppure, qualcosa in lui lo portò a rivalutare le sue azioni: la sua reputazione accademica era in costruzione, e votarsi subito al dio del profitto in un ambiente dedicato completamente alla ricerca, dove i brevetti registrati si contavano sulla punta delle dita, non si sarebbe rivelata una mossa intelligente.

Ma come si collega il lavoro di J. J. Thomson con quello di Ernest Rutherford?

Andiamo per ordine.

L’8 novembre del 1895, Wilhelm Rontgen arrivò a scoprire che ogni volta che si faceva passare della corrente elettrica ad alta tensione attraverso un tubo di vetro in cui era stato praticato il vuoto, una radiazione sconosciuta rendeva luminescente un piccolo schermo di carta rivestito da una sostanza: il platinocianuro di bario. Rontgen ripeté quello stesso esperimento per quasi sei settimane. Lo fece più di una volta al giorno, per essere assolutamente certo che quei “strani” raggi esistessero davvero. Doveva avere la (quasi) totale certezza che la sorgente di quella strana emissione fosse proprio il tubo a vuoto.

Se date un’occhiata alla sezione del vostro libro di testo dedicata ai raggi X, l’immagine che di solito trovate è quella dell’affusolata mano della moglie di Roentgen, Bertha, posta sopra lo strumento che sarebbe stato il precursore delle lastre che anche in questa frazione di secondo si stanno facendo negli ospedali e nei pronti soccorsi del mondo.

Eh già, avete capite bene: Bertha fu la prima a far impressionare una lastra fotografica esposta ai raggi X con una parte di corpo umano. L’unico problema era che, a quel tempo, suo marito riteneva che quanto osservato fosse solo un effetto legato alla particolare natura della “radiazione sconosciuta” visibile una volta sviluppata la lastra. Chissà che spavento prese la Bertha una volta visto il contorno delle proprie ossa, adornate dai suoi due anelli e l’ombra scura dei tendini e della pelle 🙂

Una cosa assolutamente da non credere per l’epoca, perché non si era mai vista una cosa simile! Fu così che il primo gennaio del 1896 Roentgen spedì ai principali fisici in Germania (e all’estero) copie del suo articolo “Un nuovo tipo di raggi” insieme a qualche fotografia raffigurante una serie di pesi chiusi in una scatola con le ossa della sua consorte. In pochi giorni la scoperta delle “fotografie” di Roentgen si diffuse a macchia d’olio.

 

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‘Mano con anelli’: la prima lastra a raggi X fatta da Wilhelm Roentgen

 

I raggi X avevano fatto una breccia nella ricerca scientifica; nel giro di pochi anni ci sarebbero stati ben 49 libri e quasi 1000 articoli scientifici e seminari divulgativi incentrati sulla loro natura teorica e sperimentale.

Thomson, interessato dal contributo del collega, aveva iniziato a studiare la natura dei raggi X, dedicandosi alla ricerca sulla conduzione dell’elettricità nei gas. Ne era rimasto incuriosito quando aveva letto che questa particolare fonte di energia poteva trasformare un gas in un conduttore. Come ogni scienziato, rimase fedele al metodo scientifico: doveva trovare conferma che quanto leggeva sui raggi X avesse una corrispondenza fra le sue ipotesi avanzate, la scelta dell’apparato sperimentale con cui le voleva portare avanti e i dati effettivamente ottenuti. Fu proprio in quest’occasione che Thomson chiese a Rutherford di aiutarlo a misurare gli effetti del passaggio dei raggi X attraverso il gas.

Rutherford intanto non aveva tardato molto a farsi conoscere nel laboratorio Cavendish, dando prova delle sue qualità e del suo genio. Tenete presente che l’esigenza di aggiungere una nota al primo articolo, avanzando l’ipotesi (corretta, ma dimostrata in seguito) che i raggi X fossero una forma di radiazione elettromagnetica riuscì fruttargli ben quattro articoli, pubblicati poi negli anni successivi… Mica male per uno studente arrivato appena da oltreoceano in un “sistema” legato a particolari convinzioni e abitudini, e dove ogni novità veniva presa con le pinze; nella piena morigeratezza.

Mentre Rutherford era occupato nel condurre i suoi esperimenti, a Parigi il fisico Henri Becquerel (Nobel per la Fisica nel 1903) stava cercando di stabilire se le sostanze fosforescenti, capaci quindi di brillare nell’oscurità, potevano emettere raggi X. Egli scoprì che i composti dell’uranio erano capaci di emettere una radiazione, indipendentemente da quanto fossero fosforescenti.

Becquerel annunciò pubblicamente la scoperta di questi “raggi uranici” alla comunità scientifica, ma nessun giornale trovò interessante riportare quanto detto. La ragione di ciò risiedeva nel fatto che la maggior parte dei fisici era convinta che solo i composti dell’uranio potevano emettere dei raggi. Rutherford ci andò con i piedi di piombo nel leggere quanto detto da Becquerel, ma voleva testare fino a che punto i raggi uranici avessero un effetto sulla conducibilità elettrica dei gas. Questa fu “la decisione più importante della sua vita” disse poi più tardi.

Rutherford verificò la capacità di penetrazione dell’uranio mediante strati sottili di metallo olandese o tombacco (una lega composta da rame e zinco) e osservò come la quantità di radiazione rivelata dipendeva dal numero degli strati utilizzati. A un certo punto, inizialmente questa non si riduceva con l’aggiunta di altri strati per poi invece mostrare chiari segni di diminuzione. Rutherford ripeté l’esperimento più volte, avendo cura di usare diversi materiali, ai quali corrispondeva lo stesso risultato. La spiegazione era che venivano emessi due tipi di radiazione, i raggi alfa e beta. In seguito, provò anche ad usare il torio e si accorse che il risultato ottenuto era ancora più potente. Aveva appena scoperto i raggi gamma!

Per spiegare i suoi successi, Rutherford amava dire: «credo sempre nella semplicità, essendo un uomo semplice io stesso». Era giunto a comprendere che esperimenti condotti grazie ad apparecchiature semplici potevano come dire, condurre la natura a svelarsi al desiderio di conoscenza umana, mostrandole i suoi segreti più profondi. Ricordate però che fu la fisica e chimica Marie Curie la prima ad introdurre nel panorama scientifico il termine radioattività. Fu lei ad usarlo per la prima volta, proprio per descrivere l’emissione di radiazione dalle sostanze che definivano i “raggi di Becquerel”. La scienziata era convinta che la radioattività non fosse limitata all’uranio: ci doveva essere altro lì fuori che la potesse contenere. Continuando nella sua ricerca, insieme al marito Pierre, arrivò alla scoperta del radio e del polonio. Mica male per una donna che non solo era giunta all’apice della carriera scientifica, ma riuscì a far sentire la sua voce e le sue idee in un panorama d’eccellenza ancora permeato da figure maschili.

Nell’aprile 1898 di una Parigi d’altri tempi, veniva alla luce il primo articolo degli inseparabili coniugi Curie.

A migliaia di chilometri di distanza, un Rutherford impegnato veniva a conoscenza di una cattedra vacante alla McGill University di Montreal, in Canada. Non si prese molto tempo per decidere se fare o meno domanda: fu così che a soli 27 anni arrivò a Montreal, per rimanervi ben nove anni. Iniziamo col dire subito che su di lui le aspettative erano molto alte: i membri del board accademico si aspettavano da lui grandi cose, fra cui il fatto di togliere agli yankee americani il primato delle scoperte scientifiche.

Rutherford non aveva bisogno di essere incitato.  La sua era una naturale propensione alla conoscenza e non mancava occasione per notare la sua completa dedizione alla disciplina per cui aveva sognato in grande: la fisica sperimentale.

Cominciò con lo scoprire che la radioattività del torio si riduceva della metà in un minuto, e poi di nuovo della metà al minuto successivo. Dopo ben tre minuti si era ridotta a un ottavo del suo valore iniziale.  Rutherford definì questa riduzione esponenziale con la parola “emivita”. Evidentemente non riusciva a trovare di meglio :-).

Nel 1901 Rutherford e Frederick Soddy, un chimico britannico di 25 anni che lavorava con lui all’Università di Montreal, cominciarono a studiare gli effetti del torio e della radiazione, per iniziare a varare la possibilità che esso si trasformasse – tramite l’emissione di raggi X – in un altro elemento.

L’epoca era quella che era, così come la comunità dei fisici, ancora restii e forse anche un po’ scettici verso ogni introduzione di novità importanti che riguardavano la natura della materia. Ma le prove sperimentali nella scienza hanno sempre la meglio, tanto più se venivano portate avanti da più centri di ricerca, e se erano capaci di rivelarsi decisive per scardinare le più radicate convinzioni sull’immutabilità della materia.

Dopo vari tentativi Rutherford riuscì a dimostrare che tutti gli elementi radioattivi si trasformavano in altri elementi, e che l’emivita era la misura del tempo che occorreva affinché la metà degli atomi ivi presenti subissero il processo.

Rutherford continuando a dedicare i suoi interessi alla particella alfa, iniziò a studiare come i suoi raggi venivano deflessi da campi magnetici abbastanza intensi. Ipotizzava che la natura di questa particella fosse quella di uno ione di elio (un atomo di elio che aveva perso due elettroni), solo che non aveva ancora le prove sufficienti a supportare la sua ipotesi! Fu solo grazie all’aiuto di un altro suo giovane assistente, Hans Geiger, che durante la lunga estate del 1908 riuscì ad avere la prova che una particella alfa fosse effettivamente un atomo di elio che aveva perso due elettroni…

Le danze per indagare la natura della diffusione di particelle alfa si erano aperte.

Rutherford e Geiger progettano un esperimento che prevedeva il conteggio delle scintillazioni: i minuscoli lampi di luce prodotti dalle particelle alfa quando colpivano uno schermo di carta rivestito di solfuro di zinco dopo che queste attraversavano un sottile foglio d’oro. Contare le scintillazioni era un compito duro perché richiedeva di passare lunghe ore nel buio totale. Geiger secondo Rutherford era l’allievo ideale: talmente preciso da contarle tutte, senza interruzioni, rimanendo intere notti in laboratorio. Egli scoprì che le particelle alfa passavano indisturbate attraverso il foglio d’oro o venivano deflesse di uno o due gradi. Ma qualche particella veniva deflessa anche di un angolo decisamente apprezzabile. Solo che questo dato non era contemplato dai calcoli teorici!

I risultati sperimentali parlavano chiaro: c’era una minima probabilità che una particella alfa, passando attraverso il foglio d’oro, subisse diffusioni multiple aventi come risultato una deflessione a grandi angoli. Detto in altre parole? La particella veniva deviata oltre l’angolo di deflessione che ci si aspettava rispettasse. Mentre Rutherford era occupato con questi calcoli, Geiger gli propose di affidare la verifica della diffusione delle particelle alfa (a grandi angoli) a uno studente del suo corso che riteneva molto in gamba. Il suo nome era Ernst Marsden.

Quest’ultimo, dopo aver ripetuto varie volte l’esperimento, ottenne una risposta affermativa che si sentì di sottoporre all’attenzione di un Rutherford che ne fu subito incuriosito, invitandolo a verificare se qualcuna di quelle particella veniva deflessa all’indietro. Era quasi sicuro che non avrebbe trovato nulla, anzi la sua era praticamente una certezza! Quindi immaginatevi la sua faccia nel momento in cui scoprì come le particelle alfa venivano deflesse all’indietro contro il foglio d’oro…Rutherford riconobbe che il risultato aveva dell’incredibile! Era quasi come sparare una cannonata contro un pezzo di carta e vederla tornare indietro per colpirvi.

 

 

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L’approccio di Rutherford nel portare alla luce e ragionare su come arrivare alla scoperta della natura dell’atomo aveva molte delle caratteristiche di un’opera d’arte: un’energia profonda, una forte immaginazione e un profondo rispetto per il materiale di cui si stava servendo. Solo che molto più spesso di quanto si creda, anche nella scienza come nell’arte i passi indietro sono frequenti e gli artisti scoprono solo alla fine ciò che stanno cercando. Spesso lo fanno insieme, e il processo che porta ad una grande scoperta scientifica ha quasi dell’incredibile 🙂 Come in questo caso!

Geiger e Marsden iniziarono a unire le forze per lavorare insieme sull’esperimento di Rutherford. Le loro misurazioni comparative si servivano di diversi metalli. Scoprirono che l’oro diffondeva all’indietro quasi il doppio delle particelle alfa rispetto all’argento, e circa un 20% in più rispetto all’alluminio. Mentre invece solo una particella ogni 8000 rimbalzava su un foglio di platino. Rutherford era abbastanza sconcertato di questo fatto. Ogni materiale dava risultati piuttosto diversi, e per i 18 mesi successivi si arrovellò sul problema.

Il fatto era che all’epoca la comunità dei fisici aveva accettato l’esistenza dell’atomo. Il modello che andava per la maggiore era quello a “panettone” proposto da Thomson. Il suo mentore nel laboratorio Cavendish di Cambridge, ricordate?

Facciamo un passo indietro per capirne cosa significasse questo modello. Nel 1903 Thomson aveva ipotizzato che l’atomo fosse una sfera di carica positiva priva di massa in cui erano immersi, come delle uvette in un panettone, gli elettroni carichi negativamente scoperti da lui sei anni prima. La carica positiva avrebbe neutralizzato le forze repulsive degli elettroni che avrebbero neutralizzato l’atomo. Thomson immaginava questi elettroni disposti in una serie di anelli concentrici, in modo caratteristico. Secondo i suoi studi il diverso numero degli elettroni nei diversi atomi permetteva di distinguere fra loro i vari metalli. Poi in seguito ad altri studi, si rese conto di aver sbagliato qualcosa nel suo modello. Aveva sopravvalutato il numero degli elettroni. Il numero massimo che ogni atomo poteva averne era prescritto dal suo numero atomico.

Se vi state chiedendo cosa c’entrano le figure di Geiger e Marsden con l’esperimento di Rutherford, vi accontento subito.

Dovete sapere che Rutherford era sempre più convinto che le particelle alfa fossero diffuse da un campo di enorme intensità all’interno dell’atomo. Ma in quello teoreticamente ipotizzato da Thomson non c’erano campi elettrici di tale intensità. Un vero e proprio conflitto di interessi, considerando che il suo l’atomo “pieno” (spesso definito a panettone) non poteva respingere indietro le particelle alfa. Bisogna aspettare il 1910 affinché Rutherford elaborò la sua idea di atomo, riuscendo a costruire un minuscolo nocciolo centrale dotato di carica positiva. Il nucleo conteneva tutta la massa dell’atomo e occupava solo un volume trascurabile. Quasi come farebbe una mosca in una cattedrale.

 

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In ogni collisione la maggior parte delle particelle alfa attraversava in linea retta l’atomo di Rutherford, come ci si aspettava dal modello teorizzato da Thomson che avete appena visto. Nella maggior parte dei casi le particelle passavano troppo lontano da quel minuscolo nucleo centrale per poter subire una deflessione. Solo che in alcuni casi, c’erano delle particelle che deviavano leggermente dalla loro traiettoria perché incontravano il campo elettrico generato dal nucleo, venendone poi deflesse! Quanto più vicino passavano al nucleo, tanto più era intenso l’effetto del suo campo elettrico e tanto maggiore era l’angolo di deflessione rispetto alla loro traiettoria iniziale. Eppure, se una particella alfa si avvicinava al nucleo la sua forza era tale da farla rinculare all’indietro, come una palla che rimbalza su un muro di mattoni! E data la rarità dell’evento, questa doveva per forza di cose essere indice di una scoperta scientifica!

Era il lontano 1911 quando Rutherford comunicò ufficialmente la “natura” del suo atomo alla comunità scientifica: il nucleo era così piccolo e dotato di carica positiva che conteneva tutta la massa, lasciando il resto dell’atomo vuoto. Bisognerà attendere un altro anno per averne un’ulteriore conferma sperimentale, ma quello fu un momento epocale. Si stavano facendo piccoli, fondamentali passi verso un’introduzione – di facile lettura – alla fisica atomica.

 

LH

 

 

Approfondimenti, consigli di lettura e bibliografia di riferimento:

 

 

 

 

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