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Anniversari: Rutherford, il padre della fisica nucleare Opinion leader

Reggio Emilia – Il 30 agosto ricorre l’anniversario della nascita di Ernest Rutherford  (Brightwater, Nuova Zelandia, 30 agosto 1871  – Cambridge, Inghilterra, 19 ottobre 1937). A buon diritto è considerato il padre della fisica nucleare per aver scoperto che l’atomo è costituito da piccolo nucleo centrale, massivo, circondato da elettroni. Le dimensioni medie degli atomi di tutti gli elementi chimici sono dell’ordine di 10-8 centimetri (un centesimo di milionesimo), mentre quelle dei nuclei atomici sono centomila volte inferiori.

Biografia

Nato nel 1871 in Nuova Zelanda,  nel 1895 si trasferì in Inghilterra per studi post-laurea presso il Laboratorio Cavendish, dell’Università di Cambridge. Nel 1898   fu nominato alla cattedra di Fisica alla McGill University, in Canada, dove sviluppò il lavoro che gli fruttò nel 19o8 il Premio Nobel per la Chimica . Nel 1907 assunse la cattedra di Fisica alla Victoria University of Manchester. Qui scoprì l’esistenza del nucleo atomico. Nel 1919 trasmutò un elemento chimico  in un altro, cioè l’azoto in ossigeno, mediante una reazione nucleare. In seguito avanzò l’ipotesi dell’ esistenza, nel nucleo,  di particelle neutre, (i neutroni), successivamente scoperti dal suo allievo James Chadwick. Nel 1917 ritornò al Cavendish come Direttore.

La struttura dell’atomo

Alla fine dell’Ottocento è stata scoperta la prima particella elementare, l’elettrone, che porta una carica elettrica convenzionalmente detta negativa. Il passo successivo  fu l’indagine sulla struttura interna degli atomi degli elementi chimici, la cui esistenza era nota almeno dai primi anni del secolo.

Il primo tentativo interessante di fornire un modello di atomo fu fatto dal fisico inglese già famoso per la scoperta dell’elettrone, J. J. Thomson nel 1904; è detto modello a panettone (in inglese, plum pudding model):  l’atomo  è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa, all’interno della quale sono inseriti gli elettroni, di  carica negativa. Nel complesso l’atomo è elettricamente neutro.

Per  sondarne  la struttura, ed eventualmente confermare il modello, Rutherford progettò un esperimento cruciale: un fascio di particelle alfa (carica positiva ) fu diretto ortogonalmente contro un foglio sottile d’oro (un centesimo di mm); le alfa devono interagire con  le cariche elettriche all’interno dell’atomo  d’oro. Secondo il modello di Thomson le particelle  avrebbero dovuto attraversare il foglio d’oro venendo deflesse al più di pochi gradi, e  misurando la loro deflessione  si sarebbero ricavare informazioni sulla distribuzione di carica elettrica all’interno dell’atomo.

L’esperimento, nel laboratorio di fisica dell’Università di Manchester , fu affidato a due giovani allievi di Rutherford, Hans Wilhelm Geiger e Ernst Marsden (1909).

 

rutherfordexper

 

 

I risultati dell’esperimento furono i seguenti:

  1. gran parte delle particelle α attraversava la lamina senza subire alcuna deviazione;
  2. alcune particelle venivano deviate di angoli più o meno grandi rispetto alla direzione iniziale (angoli di diffusione);
  3. pochissime rimbalzavano indietro, erano cioè riflesse dalla lamina.

Questo era un evento completamente imprevisto, come risulta dalle parole di Rutherford:

“Fu l’evento più incredibile mai successomi in vita mia. Era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. Pensandoci, ho capito che questa diffusione all’indietro doveva essere il risultato di una sola collisione, e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell’ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell’atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. Fu allora che ebbi l’idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico”.

Rutherford  interpretò i risultati sperimentali in un lavoro del 1911, nel quale rigettò  il “modello a panettone” di Thomson non in grado  di spiegare  deflessioni così marcate delle alfa.

Grazie alla misura degli angoli di deflessione e all’applicazione della legge di Coulomb, Rutherford propose per l’atomo il seguente modello (detto planetario):

  • l’atomo è composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate la carica positiva e (quasi tutta)  la massa dell’atomo; il diametro del nucleo (10−15 m) è circa 100 000 volte più piccolo del diametro dell’atomo (10−10 m);
  • i leggerissimi elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo;
  • gli elettroni, carichi negativamente, ruotano intorno al nucleo come pianeti intorno al Sole;
  • il numero degli elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo.

A differenza del modello proposto da Thomson, l’atomo di Rutherford è in grado di spiegare i dati raccolti sperimentalmente . Infatti, le poche particelle α che arrivano molto vicino al nucleo sono respinte violentemente dalla sua carica positiva, come se ci fosse un muro impenetrabile, e tornano indietro. Quasi tutte le altre sono invece soltanto deflesse, o proseguono indisturbate, perché lontano dal nucleo la forza repulsiva è minore ed è attenuata dalla presenza degli elettroni.

Il modello atomico «planetario» è stato abbandonato poco tempo dopo, per la sua incompatibilità  con la teoria classica dell’elettromagnetismo. Esso portò  alla formulazione da parte di Bohr  (1913) di un nuovo modello atomico che costituì la base delle prime teorie quantistiche.

Tuttavia la struttura nucleare dell’atomo è tutt’oggi valida. Il nucleo è la parte più significativa dell’atomo, perché atomi di elementi diversi hanno diversa struttura del nucleo.

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  • In vita Rutherford fu insignito di molte onorificenze in vari Paesi del mondo. La sua immagine appare sulle banconote in Nuova Zelanda e fu raffigurato in francobolli  di Unione sovietica, Canada, Svezia, e Nuova Zelanda. Nel 1997  l’elemento chimico rutherfordio (Rf) fu chiamato così in suo onore. Un cratere su Marte e uno sulla Luna  sono chiamati con il suo nome.
  • La sua tomba si trova nell’Abbazia diWestminster, presso quella di Isaac Newton.

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Citazioni

Due interessanti affermazioni di Rutherford:

Non abbiamo soldi, quindi dobbiamo ragionare”.

“We’ve got no money, so we’ve got to think”.

Sulla base delle conoscenze e delle tecnologie attualmente a disposizione, chiunque parli delle possibili utilizzazioni dell’energia nucleare parla a vanvera”.

Come sappiamo, questa fu smentita molti anni dopo  da Fermi con la costruzione della “pila atomica”, e, più drammaticamente, con le bombe di Hiroshima e Nagasaki  .

Una terza è più curiosa: Nonostante che Rutherford abbia ricevuto il premio Nobel per la Chimica, è rimasta  famosa la sua perentoria affermazione “Nella scienza esiste solo la Fisica; tutto il resto è collezione di francobolli“.

“All science is either physics or stamp collecting”.

Se  vivesse oggi si dovrebbe ricredere, visti i grandiosi sviluppi della biologia molecolare, delle neuroscienze, e di altre scienze.

 

Foto:  Ernest Rutherford   en.wikipedia.org

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