La scoperta della fissione nucleare: tra caso e genialità
Enrico Fermi e i ragazzi di via Panisperna
Nel 1926, a soli ventisei anni, Enrico Fermi si afferma come una delle menti più brillanti della fisica teorica mondiale. A quell’età, vince il concorso per la prima cattedra di Fisica Teorica in Italia e inizia a fondare un gruppo di giovani ricercatori, che verrà conosciuto come “i ragazzi di via Panisperna“, dal nome della via romana dove si trovavano i loro laboratori.
Fermi, pur prediligendo la fisica teorica, decide di concentrarsi anche sull’aspetto sperimentale, intuendo che la ricerca sulla radioattività e sulla struttura del nucleo atomico avrebbe rappresentato la frontiera del progresso scientifico. In un’epoca segnata dall’avvento della meccanica quantistica, che aveva risolto molte delle questioni più oscure della fisica atomica, i ragazzi di via Panisperna indirizzano le loro forze verso un terreno inesplorato: il nucleo atomico. Ma ciò che inizia come un esperimento volto a esplorare i misteri della radioattività, si trasforma, per caso, in una delle scoperte più incredibili della storia della fisica: la fissione nucleare.
La scoperta della fissione nucleare
È la mattina del 20 ottobre 1934 e Fermi si trova da solo in laboratorio mentre i suoi collaboratori e allievi sono impegnati in altre attività universitarie. Impaziente, decide di iniziare in autonomia i preparativi per le misure degli esperimenti del giorno. Di seguito le parole di Fermi rivolte a Chandrasekhar riguardo gli avvenimenti di quella mattina:
“Un giorno, appena arrivato in laboratorio, mi venne in testa che avrei dovuto esaminare l’effetto prodotto da un pezzo di piombo piazzato davanti ai neutroni incidenti. E, contrariamente alle mie abitudini, misi un grande impegno a preparare un pezzo di piombo lavorato con grande precisione. Ero chiaramente insoddisfatto di qualcosa: cercai ogni scusa per tentare di rinviare la disposizione di quel pezzo di piombo al suo posto. Quando finalmente con grande riluttanza stavo per collocarlo, mi dissi: «No! Non voglio questo pezzo di piombo, ciò che voglio è un pezzo di paraffina!». Andò proprio così, senza nessuna premonizione e nessun precedente ragionamento conscio. Presi immediatamente un pezzo di paraffina che trovai sul momento a portata di mano e lo collocai dove avrebbe dovuto essere disposto il pezzo di piombo.”
La sostituzione, seppur puramente casuale, della paraffina con il piombo risulta cruciale: il contatore segna un’inaspettata quantità di radioattività. A cosa è dovuta?
La spiegazione di Fermi
Subito dopo pranzo Fermi ha già in mente la risposta: la paraffina è ricca di idrogeno, quindi di protoni, che provocano il rallentamento dei neutroni incidenti. In questo modo, a bombardare il nucleo sono in realtà neutroni lenti, che evidentemente ne aumentano la radioattività. Per testare l’interpretazione di Fermi i giovani scienziati ripeterono le misure usando l’acqua, anch’essa ricca di protoni, come mezzo di interposizione, ottenendo i medesimi risultati.
Come mai i neutroni lenti aumentano la radioattività? Per capirlo, pensiamo al neutrone che colpisce il nucleo come a un proiettile che colpisce un cuscino. Un proiettile molto veloce fora il cuscino e fugge via, uno lento invece rimane incastrato nel cuscino dopo averlo colpito. Allo stesso modo i neutroni lenti vengono molto probabilmente catturati dal nucleo. Una volta acquisito, il nucleo si ritrova con un neutrone in eccesso e perciò diventa instabile.
Il premio Nobel
Fermi e i suoi collaboratori si convincono di aver scoperto elementi transuranici, ovvero con numero atomico superiore a quello dell’uranio e li chiamano Ausonio ed Esperio dal nome di antiche città italiane.
Nel 1938 Fermi riceve così il premio Nobel per la Fisica per: «l’identificazione dei nuovi elementi radioattivi prodotti dal bombardamento di neutroni e per la scoperta, in relazione a questo studio, delle reazioni nucleari causate dai neutroni lenti»
Si può notare come nelle note ufficiali non sia specificata la scoperta degli elementi transuranici. Questo perché solo dopo la sua assegnazione si analizzarono i nuclei prodotti e si scoprì che erano in realtà molto più leggeri dell’uranio. Il famoso esperimento di Fermi è stato la prima misura in laboratorio di un nuovo processo fisico: la fissione.
Il neutrone lento viene catturato dal nucleo, l’instabilità di quest’ultimo ne provoca la scissione in due nuclei più leggeri accompagnata da liberazione di energia. La radiazione che aveva indotto i giovani scienziati a credere di aver scoperto nuclei transuranici era in realtà prodotta dall’ulteriore decadimento beta dei prodotti di fissione.
In fondo, la storia di Fermi ci insegna che, per fare grandi scoperte, è necessario non solo lavorare sodo, ma anche essere pronti ad adattarsi e a vedere le cose da un angolo inaspettato, così come lui fece quella mattina del 20 ottobre 1934.
a cura di Giuseppe Mansi