La scoperta del neutrone

La scoperta del neutrone rappresenta una pietra miliare nella storia della fisica, permettendo di completare il quadro delle particelle fondamentali dell’atomo e dando impulso a nuove scoperte scientifiche e applicazioni tecnologiche che hanno trasformato il mondo moderno. La scoperta del neutrone avvenne nel 1932 grazie al fisico inglese James Chadwick che per questa sua scoperta, vinse il premio Nobel per la fisica nel 1935.

All’inizio del XX secolo, la struttura dell’atomo era ancora in fase di definizione. Dopo la scoperta dell’elettrone da parte di J.J. Thomson e del nucleo atomico da parte di Ernest Rutherford, si sapeva che il nucleo conteneva particelle cariche positivamente, chiamate protoni. Tuttavia, si osservava che la massa atomica di molti elementi risultava essere circa il doppio di quella prevedibile considerando solo i protoni. Questo suggeriva la presenza di ulteriori componenti nel nucleo.

Nel 1930 il fisico tedesco Walther Bothe e il suo allievo Herbert Becker studiarono l’effetto dell’irraggiamento di elementi leggeri, come berillio, boro e litio, con particelle α. Notarono che questi materiali, una volta bombardati, emettevano una radiazione altamente penetrante, inizialmente interpretata come raggi gamma ad alta energia, poiché la radiazione non veniva deflessa da campi magnetici o elettrici.

Nel 1932, Irène Curie e Frédéric Joliot dimostrarono che questa radiazione, colpendo materiali ricchi di idrogeno come la paraffina, causava l’espulsione di protoni ad alta velocità. Ciò suggeriva che la radiazione trasportasse un’energia sufficiente a strappare protoni dai nuclei atomici, un comportamento non pienamente compatibile con quello di normali fotoni gamma.

La scoperta di James Chadwick nacque per gli studi fatti nel 1930 dal fisico tedesco Walther Bothe insieme al suo studente Herbert Becker. Essi si occuparono dell’irraggiamento di alcuni elementi leggeri da parte delle particelle α costituite da due protoni e due neutroni ovvero di nuclei di elio aventi carica positiva ⁴He²⁺ indicate come ⁴₂α.

La tecnica prevedeva che, bombardando una sostanza con particelle α emesse da una sorgente radioattiva, si formassero un fotone e un protone. Si notò che con nuclei di berillio, boro e litio era emessa una radiazione sconosciuta. La radiazione a cui fu dato il nome di raggi gamma  poteva penetrare in lamine metalliche, ma non era deflessa da un campo magnetico come le altre particelle cariche elettricamente.

Nel 1932 i coniugi Irène Curie e Jean Frédéric Joliot mostrarono che la radiazione, se colpiva paraffina o altri composti contenenti idrogeno, provocava l’espulsione di protoni ad alta energia imputabile a un decadimento.

Nel 1932 Chadwick fece lo stesso esperimento utilizzando molti bersagli di riferimento diversi dalla paraffina. Studiò la radiazione di berillio con un contatore di ionizzazione e una camera a nebbia e scoprì l’esistenza di una nuova particella denominata neutrone.

Dal berillio alla scoperta del neutrone

Si ritenne pertanto che il neutrone fosse  una particella neutra altamente penetrante e con una massa simile a quella del protone.

Il berillio, infatti, a seguito del bombardamento da parte di particelle alfa subisce una reazione nucleare e si trasforma in carbonio 13 che dà luogo alla formazione di carbonio 12 e di un neutrone:
⁹₄ Be + ⁴₂α → ¹³₆ C → ¹²₆ C + ¹₀ n

Significato della scoperta

La scoperta del neutrone ebbe un impatto rivoluzionario:

-Permise di spiegare la massa atomica degli elementi.

-Aprì la strada alla modellizzazione nucleare, portando alla nascita della fisica nucleare moderna.

-Fu cruciale per lo sviluppo della fissione nucleare, che successivamente condusse alla realizzazione dei reattori nucleari e delle armi nucleari.

-Contribuì alla comprensione di fenomeni come la radioattività β.

Il neutrone, essendo neutro, può penetrare i nuclei atomici senza essere respinto da forze elettrostatiche, rendendolo uno strumento ideale per l’indagine della struttura nucleare e per innescare reazioni nucleari.