James Chadwick
James Chadwick e la scoperta del neutrone
James Chadwick è stato un fisico inglese (Manchester 20 ottobre 1891).
Stabilì sperimentalmente l'esistenza del neutrone, una particella pesante neutra la cui presenza nel nucleo atomico era stata ipotizzata sino dal 1920.
Le sue indagini fornirono la prima prova decisiva dell'esistenza di tali particelle, permettendogli inoltre di determinare per lo prima volta lo loro massa.
Per questo e altri contributi apportati alla fisica nucleare venne insignito nel 1935 del premio Nobel per la fisica.
Studiò fisica all'Università di Manchester, laureandosi nel 1911. Nel 1913 si recò in Germania per lavorare alla Reichanstalt di Charlottenburg, sotto la direzione di H. Geiger; qui scopri la continuità dello spettro energetico delle radiazioni ß dei corpi radioattivi.
Durante la prima guerra mondiale egli venne internato come prigioniero civile di guerra.
Dopo aver fatto ritorno in Inghilterra, venne invitato al Cavendish Laboratory di Cambridge, dove aveva avuto nel 1919 la nomina a Cavendish Professor.
Nel 1921 Chadwick venne eletto membro del Gonville and Caius College, e venne nominato vicedirettore della ricerca del Cavendish Laboratory.
Durante questo periodo passato a Cambridge lavorò in stretta collaborazione con E. Rutherford (1871-1937) nel tentativo di chiarire il nuovo campo della fisica nucleare.
James Chadwick e gli studi sull'atomo
Nel 1920 Rutherford aveva proposto l'esistenza nel nucleo atomico del neutrone, in un tentativo di spiegare alcuni fatti contraddittori nelle proprietà dell'atomo composto solamente da protoni ed elettroni.
Chadwick, partendo da questa ipotesi, intraprese all'inizio degli anni Venti una lunga serie di esperimenti diretti a rivelare tale particella, che Rutherford aveva ipotizzato fosse dotata di carica nulla e di massa lievemente superiore a quella del protone.
I primi tentativi di Chadwick non ebbero però successo.
Nel 1930 i fisici tedeschi W. Bothe e H. Becker, utilizzando una sorgente di radiazioni più forte e un dispositivo di rivelazione migliore di quello a disposizione di Chadwick (cioè il contatore di Geiger-Muller appena inventato), scoprirono che il berillio, sottoposto a un bombardamento di particelle α veloci, emetteva una radiazione molto penetrante.
Questa radiazione riemessa dal berillio, ritenuta in un primo momento una radiazione di tipo γ, presentava parecchie proprietà insolite, tra cui il fatto che si dimostrava assai più penetrante nella stessa direzione delle particelle incidenti che nella direzione opposta.
Chadwick notò che sarebbe stato difficile spiegare questa osservazione, a meno che la radiazione rimessa non fosse costituita da un nuovo tipo di particelle.
Inoltre l'alta penetrazione della radiazione lo indusse a sospettare che essa fosse costituita da particelle neutre.
Poco dopo i fisici francesi F. Joliot-Curie e I. Joliot-Curie resero noto che la paraffina, sottoposta alla radiazione del berillio eccitato, emetteva protoni ad alta energia, probabilmente espulsi dai nuclei dell'idrogeno presente nella cera.
Quando Chadwick venne a conoscenza di questo fenomeno sospettò che anche in questo caso si trovasse la prova che nell'emissione del berillio erano presenti particelle neutre.
Chadwick intraprese la ripetizione degli esperimenti dei Joliot-Curie nel suo laboratorio.
Concentrandosi sullo studio del carattere dell'emissione ad alta energia del berillio diresse questa radiazione su vari materiali: idrogeno, azoto, argo, aria, e altri.
In ognuna di queste sostanze la radiazione del berillio provocava l'espulsione di protoni dai nuclei atomici della sostanza stessa.
Ora, se la radiazione del berillio fosse stata una forma di emissione di fotoni l'energia di questi protoni sarebbe stata facilmente calcolabile per mezzo del ben noto effetto Compton, che descrive le interazioni tra raggi γ e nucleo atomico.
Chadwick effettuò i calcoli richiesti: i risultati erano in completo disaccordo con la misura dell'energia dei protoni ricavata sperimentalmente in laboratorio.
Perciò, sulla base dell'osservazione di questi urti con gli atomi, Chadwick concluse che la radiazione del berillio era costituita da particelle neutre, dotate di una massa a riposo compresa all'incirca tra 1,005 e 1,008 (prendendo la massa a riposo del protone come unità).
Avendo identificato il neutrone sperimentalmente, ora Chadwick doveva dimostrarne l'esistenza in modo definitivo.
A questo scopo iniziò nel 1932 con i suoi collaboratori del Cavendish Laboratory una nuova e ampia serie di esperimenti.
Uno degli esperimenti decisivi si basava su una camera di ionizzazione collegata a un amplificatore, che a sua volta era collegato a un oscilloscopio.
Le particelle ionizzanti, entrando nella camera, avrebbero fatto fluttuare la traccia luminosa dell'oscilloscopio; la traccia era registrata in continuazione su carta fotografica.
La sorgente delle radiazioni era costituita da un disco di metallo placcato con del polonio (potente emittente di radiazioni α) e da un disco di berillio puro, posti entrambi in un recipiente sotto vuoto.
Chadwick notò che quando la sorgente era posta a grande distanza dalla camera, la media delle oscillazioni dell'oscilloscopio era di 7 all'ora.
Quando la sorgente era a pochi centimetri dalla camera, la media aumentava a più di 200 oscillazioni all'ora (le oscillazioni erano provocate dagli atomi dell'aria presente nella camera, messi in movimento dalla radiazione).
La frapposizione di alcuni fogli di piombo tra la camera e la sorgente non aveva alcun effetto sulla media delle oscillazioni, fatto che dimostrò la natura ad alta penetrazione della radiazione.
Inoltre la sostituzione dei fogli di piombo con fogli di paraffina raddoppiava la media delle oscillazioni.
Chadwick constatò che questo raddoppio era dovuto all'espulsione di protoni dalla paraffina, proprio come nell'esperimento dei Joliot-Curie.
Queste informazioni, nel loro complesso, fornirono a Chadwick il fondamento richiesto per guadagnare all'ipotesi del neutrone un vasto consenso.
Il concetto guadagnò rapidamente terreno e assunse un'importanza vitale per il successivo avanzamento teorico della fisica nucleare; esso divenne infatti indispensabile per qualsiasi ulteriore approccio teorico alla struttura dell'atomo.
Nel 1935 Chadwick lasciò Cambridge per occupare una cattedra di fisica alla Liverpool University, dove istituì una nuova scuola di fisica nucleare.
Nell'inverno del 1939 iniziò insieme con O. R. Frisch quella che forse fu la prima ricerca sulla bomba atomica.
Verso la fine della seconda guerra mondiale fu a capo della missione inglese che cooperava al Progetto Manhattan, e per i servizi resi in quell'occasione venne premiato nel 1946 con la Medal of Merit.
Nel 1948 tornò a Cambridge come Master of Gonville and Caius College, carica che abbandonò nel 1958.
Morì a Cambridge, 24 luglio 1974.
Link correlati:
Che cos'è la fotoelettricità?
Studia con noi