L’esperimento di Fermi sui neutroni lenti

Il 20 ottobre 1934 il gruppo dei cosiddetti “ragazzi di Via Panisperna” diretto dal fisico Enrico Fermi – cui nel 1938 verrà assegnato nel il premio Nobel per la Fisica – fece una scoperta che avrebbe cambiato la storia dell’umanità. Quella mattina Fermi, con un’intuizione geniale, sostituì il cuneo di piombo inserito tra la sorgente di neutroni e il bersaglio con un pezzo di paraffina. Il risultato fu straordinario: i contatori Geiger si scatenarono e l’induzione della radioattività si rivelò molto più efficace. Grazie a tale tecnica, realizzarono a breve la prima fissione del nucleo di uranio. Ecco come furono svolti gli esperimenti.

Nel 1926, il giovane fisico italiano Enrico Fermi, che si era laureato alla Scuola Normale di Pisa ed aveva lavorato con contratti di ricerca a Gottinga, Leida e Firenze  vinse la cattedra di fisica teorica a Roma. Insieme ai suoi più stretti collaboratori, noti come i “ragazzi della via Panisperna”, trasformò ben presto il laboratorio universitario situato in quella strada romana in un centro di ricerca di livello internazionale, realizzando alcune delle scoperte più importanti nella storia della fisica.

Il gruppo dei ragazzi di Via Panisperna, la cui nascita fu favorita dal fisico Orso Maria Corbino, direttore dell’Istituto di fisica dell’Università di Roma che aveva sede in quella strada, comprendeva, oltre a Enrico Fermi: i fisici sperimentali Franco Rasetti, Edoardo Amaldi, Emilio Segrè (che vincerà il premio Nobel per la fisica nel 1959), cui si aggiunsero successivamente Bruno Pontecorvo e il chimico Oscar D’Agostino; in campo teorico, si distingueva la figura del fisico Ettore Majorana.

Il gruppo dei “ragazzi di Via Panisperna”, immortalati in una famosa foto dell’epoca.

Le ricerche di laboratorio del gruppo di Via Panisperna riguardarono inizialmente la spettroscopia atomica e molecolare, ma quando giunsero dalla Francia le notizie sulle scoperte dei coniugi Curie si orientarono verso lo studio sperimentale del nucleo atomico attraverso il bombardamento di varie sostanze mediante neutroni, ottenuti irradiando il berillio con particelle alfa emesse dal radon, con entrambi gli elementi posti in un tubo di vetro chiuso (questa sorgente era da loro chiamata in gergo l’“emanazione”).

In realtà, l’interesse dei fisici italiani, prima diretto solo verso gli atomi e le molecole (i cui problemi cominciavano ad avere una soluzione), si era diretto verso il nucleo atomico intorno al 1930, per affrontare un nuovo problema, quello della struttura nucleare e dei fenomeni connessi. Nel 1931 Fermi realizzò con Amaldi una camera a nebbia con cui osservò le particelle α, e il laboratorio si dotò anche dei contatori Geiger e di sorgenti radioattive, necessarie per le ricerche sulla radioattività indotta.

La scuola Normale di Pisa, dove Fermi si era laureato in fisica, conoscendo Franco Rasetti, che all’epoca studiava fisica all’Università di Pisa.

Ma il fisico sperimentale del gruppo abile nel costruire e nell’usare contatori Geiger e camere a nebbia era Franco Rasetti. Il berillio irradiato dalle particelle α va incontro a disintegrazioni radioattive che producono neutroni e raggi gamma. In una camera a nebbia egli potè vedere le tracce del “rinculo” dei protoni che è prodotto dai neutroni. Rasetti realizzò anche un semplice esperimento “alle coincidenze” per dimostrare che il berillio irradiato emetteva una radiazione elettromagnetica (raggi gamma).

In pratica, mise due Geiger con parete da 0,5 mm in coincidenza. Poi filtrò la radiazione di una sorgente di polonio-berillio con 2 cm di piombo. Il numero di coincidenze crebbe dal livello di fondo di 12 all’ora a 90 all’ora. Poi collocò una lastra di alluminio spessa alcuni mm fra i due contatori, ed il numero di coincidenze diminuì, sebbene i neutroni non fossero granché assorbiti da essa. Rasetti concluse che le coincidenze erano prodotte da elettroni veloci prodotti per effetto Compton da fotoni di circa 10 MeV.

Il cosiddetto “effetto Compton” si ha quando un fotone energetico (nel caso del berillio, il fotone di un raggio gamma) interagisce con un elettrone cedendogli parte della sua energia e deviando di un certo angolo dalla sua traiettoria originale.

Gli esperimenti di bombardamento con i neutroni

Nel 1934, il team di Fermi iniziò a lavorare sulla radioattività artificiale, un fenomeno scoperto da Irene Curie e da suo marito Frederic Joliot nel gennaio 1934. I due avevano bombardato diversi elementi chimici con particelle α (cioè nuclei di elio costituiti da due protoni e due neutroni). Fermi decise, invece, di bombardare gli elementi con neutroni, particelle che sono tra i costituenti dei nuclei atomici ma che, essendo prive di carica elettrica, possono raggiungere facilmente un altro nucleo.

Nella pianificazione dei suoi esperimenti di bombardamento di neutroni, nella sua decisione di usare una fonte di neutroni di radon-berillio (Rn-Be) e nella sua scelta degli elementi che bombardò con neutroni Rn-Be, Fermi fu probabilmente influenzato dalla teoria del cosiddetto “decadimento beta”, che egli stesso aveva formulato nel dicembre 1933, appena quattro mesi prima della sua scoperta sperimentale della radioattività artificiale indotta da neutroni, oggetto di questo articolo.

Fermi fu sia un eccellente fisico teorico sia un ottimo fisico sperimentale.

Il decadimento β è un tipo di decadimento radioattivo, ovvero una delle reazioni nucleari spontanee attraverso le quali elementi chimici radioattivi si trasformano in altri con diverso numero atomico. I decadimenti β sono caratterizzati dalla trasformazione di neutrone in protone oppure di protone in neutrone: nei decadimenti β, il neutrone si trasforma in un protone più un elettrone; nei decadimenti β+, il protone si trasforma in un neutrone emettendo un positrone.

I coniugi Joliot-Curie avevano scoperto la radioattività indotta, o “radioattività artificiale” (cosa che valse loro il premio Nobel per la chimica nel 1935), bombardando il materiale stabile con le particelle α da 5,3 MeV di una sorgente di Polonio-210. I Joliot-Curie mostrarono che quando gli elementi più leggeri e non radioattivi – come il boro e l’alluminio – venivano bombardati con particelle α, questi elementi più leggeri continuavano a emettere radiazioni anche dopo la rimozione della fonte α.

I coniugi Joliot-Curie nel loro laboratorio all’Istituto Radio, nel 1934.

Si noti che il polonio era in genere preferito al radon, come sorgente di particelle α (anche nelle camere a nebbia), perché emetteva solo particelle α. Nei suoi esperimenti, Fermi, per poter contare gli elettroni (altrimenti schermati) prodotti nel decadimento β, usò contatori Geiger con una parete in foglia di alluminio spessa appena 0,2 mm – e, quando possibile, usò come bersagli dei cilindri cavi posti intorno al bulbo con la sorgente, per massimizzare l’efficienza nell’“attivarli” attraverso il bombardamento di neutroni.

Ciò suggerisce come fu assolutamente probabile che, nei loro primi esperimenti di bombardamento con neutroni, i ragazzi di Via Panisperna guidati da Fermi e Rasetti abbiano usato una sorgente polonio-berillio (Po-Be), tuttavia pare che i loro primi tentativi con questa sorgente siano stati infruttuosi; mentre ebbero alla fine successo quando usarono una sorgente radon-berillio (Rn-Be): un bulbo di vetro sigillato riempito con polvere di berillio e 50 mCi di emanazione di radio (ovvero di gas radon).

Usando come sorgente il radon, oltre alle particelle α (ed ai neutroni generati dal berillio) venivano prodotti forti raggi gamma, ma questi non disturbavano l’esperimento, poiché i fenomeni cercati erano susseguenti l’irradiazione. Inoltre, Fermi, per testare la sensibilità dei contatori Geiger da loro auto-costruiti, scelse una sostanza con un’attività molto debole nel produrre particelle β: una soluzione di cloruro di potassio, esattamente lo stesso tipo di sostanza analizzata a quei tempi all’Istituto di fisica di Arcetri.

Il cloruro di potassio, usato anche come sostituto del sale, è un debolissimo emettitore beta, dunque è leggermente radioattivo e ottimo per testare un rivelatore di particelle beta.

I primi risultati: la radioattività indotta dai neutroni veloci

Bombardando con i neutroni generati dalla sorgente Rn-Be, il gruppo di Fermi riuscì ad attivare, cioè ad indurre radioattività artificiale, nell’alluminio e nel fluoro contenuto nel fluoruro di calcio. Inizialmente, un cilindro di alluminio fu posto attorno al bulbo di vetro contenente la sorgente di neutroni, e poi collocato intorno al cilindro del sensore del Geiger, per misurarne la radioattività indotta. Furono esaminati con la stessa procedura anche il platino, il piombo, il cloruro mercuroso.

I conteggi dell’alluminio rivelarono senza ombra di dubbio che si era creata una nuova sostanza radioattiva. Infatti essi erano molto superiori al fondo: 82 conteggi ogni 5 minuti, contro i 50 del fondo. Dopo circa mezzora, i conteggi si ridussero statisticamente al valore del fondo. La vita media della nuova sostanza radioattiva risultò quindi di circa 10 minuti. Il fluoro del fluoruro di calcio, invece, si attivava in una nuova sostanza con una vita media di appena 10 secondi.

Si noti che il contatore Geiger era progettato per poter rilevare gli elettroni veloci attesi dal decadimento βdel bersaglio irradiato con i neutroni, rivelando così la presenza di una eventuale nuova sostanza radioattiva che emette elettroni con un tempo di decadimento facilmente misurabile. Inoltre Fermi, per testare la sensibilità dei contatori Geiger da loro auto-costruiti, scelse una sostanza con un’attività molto debole nel produrre particelle β: una soluzione di cloruro di potassio.

La radioattività indotta attesa da Fermi era di tipo β, a differenza di quella β+ dei coniugi Curie. Nella figura, un esempio di entrambi i tipi di decadimento.

D’altra parte, le sorgenti di neutroni sono molto meno intense delle sorgenti di particelle alfa, perché i neutroni non vengono emessi direttamente dai nuclei, ma sono il prodotto di una reazione nucleare (ad es. dei nuclei di Berillio con particelle alfa). Fermi riesce a contrastare la difficoltà della scarsa intensità delle sorgenti di neutroni tramite un accorto sfruttamento delle condizioni geometriche nell’irraggiamento dei campioni e nella rivelazione dell’eventuale emissione beta.

I neutroni “proiettile” usati avevano comunque una discreta energia. Infatti, l’isotopo stabile del Berillio (9Be) ha un neutrone poco legato (energia di legame 1,7 MeV ), per cui se una particella α da un decadimento radioattivo (5-6 MeV) scattera un nucleo di 9Be viene rilasciato un neutrone con formazione di Carbonio-12. Usando come sorgente di α il radon, si hanno α emesse con un’energia di circa 5-8 MeV; in questo modo si ha produzione di neutroni con uno spettro di energia fino a 13 MeV.

I neutroni così prodotti non sono monoenergetici per diversi motivi: (1) provengono da diversi processi di decadimento α; (2) il rallentamento dovuto a collisioni con materiale; (3) le varie direzioni di emissione che i neutroni possono assumere date le α incidenti casualmente; (4) la possibilità che il Carbonio-12 sia lasciato in uno stato eccitato. L’energia più probabile per il neutrone è circa 5 MeV e la produzione di neutroni è di circa 107 neutroni per secondo per ogni Curie di attività.

Spettro dell’energia dei neutroni da sorgente Rn-Be.

Il bombardamento con i neutroni funzionava, ma i risultati non erano sempre gli stessi ripetendo le misure in condizioni simili. Per esempio, erano diversi se effettuati su un tavolo di legno o su uno di marmo: il campione di Argento irradiato per un tempo determinato su un tavolo di legno mostra una attività indotta molto più intensa di quella che si riscontra procedendo all’irradiazione dello stesso campione, da parte della stessa sorgente di neutroni e per lo stesso tempo, ma su un tavolo di marmo.

Insomma, come notato da Pontecorvo – appena unitosi al gruppo – l’intensità di attivazione di alcune sostanze dipendeva dall’ambiente circostante, in modo tale da compromettere la riproducibilità degli esperimenti. Per studiare questi strani effetti e migliorare la comprensione del problema, si provava a interporre assorbitori di piombo o altri materiali tra la sorgente di neutroni e il materiale da irraggiare, in modo da alterare “qualcosa” nel fascio di irraggiamento in maniera controllata.

La scoperta della radioattività indotta dai neutroni lenti

La mattina del 20 ottobre 1934 Fermi era solo a fare le misurazioni quando, dopo aver indugiato a lungo prima di ripetere ancora una volta l’esperimento con un nuovo assorbitore di piombo, con un’intuizione inspiegabile, sostituì il cuneo di piombo inserito tra la sorgente di neutroni e il bersaglio con una lastra di paraffina di 4 cm, che avrebbe dovuto essere meno efficace nell’indurre radioattività. Il risultato, invece, fu assolutamente straordinario e ribaltò ogni previsione.

Schema di come Fermi produsse neutroni lenti. La paraffina rallentava i neutroni (la “radiazione sconosciuta” scoperta negli anni Trenta da Bothe e Beker, il neutrone fu scoperto nel 1932), oltre a a vedere alcuni protoni espulsi a seguito delle interazioni con i neutroni.

I contatori Geiger si scatenarono e l’induzione della radioattività si rivelò molto più efficace. Fermi aveva appena usato neutroni lenti per il bombardamento del nucleo. La paraffina, essendo ricca di idrogeno (cioè di protoni) “aveva rallentato” l’energia dei neutroni con una serie di collisioni elastiche, amplificando in questo modo la loro efficacia nel produrre radioattività artificiale sul bersaglio. Infatti, i neutroni avevano avuto così molto più tempo per interagire con i nuclei del bersaglio.

Poiché la paraffina contiene atomi di idrogeno, ossigeno e carbonio, tutti molto più leggeri del piombo, furono fatte frenetiche verifiche interponendo composti che contenessero uno di questi elementi ma non gli altri, e perfino immergendo la sorgente e il bersaglio nell’acqua della fontana del giardino dell’Istituto. Fu evidente che l’effetto era dovuto all’idrogeno. Il team brevettò il “processo di produzione di sostanze radioattive artificiali mediante bombardamento di neutroni lenti” il 26 ottobre 1935.

La vasca dei pesci rossi della fontana dell’Istituto di fisica, usata dal gruppo di Fermi per gli esperimenti di conferma della scoperta della radioattività indotta da neutroni lenti.

Passando attraverso un composto ricco di idrogeno (paraffina, acqua, sostanze organiche) – cioè di protoni liberi – i neutroni cedono in media metà della loro energia ad ogni collisione (nell’urto con nuclei pesanti, invece, collidono elasticamente, cioè rimbalzano cambiando direzione ma non velocità e quindi non perdono energia). Perciò un fascio di neutroni veloci viene rapidamente frenato, e l’energia dei singoli neutroni diviene quella propria dell’agitazione termica dell’idrogeno.

La probabilità di assorbimento nel nucleo da parte del bersaglio dipende, ovviamente, dal tempo che il neutrone passa entro il raggio, anzi l’area, di cattura del nucleo (la cosiddetta “sezione d’urto”), quindi è inversamente proporzionale alla velocità del neutrone. Poiché i neutroni termalizzati (detti anche neutroni termici) sono migliaia di volte più lenti di quelli emessi dalla sorgente (detti neutroni veloci), la loro efficacia nell’indurre reazioni nucleari è migliaia di volte maggiore.

Il diverso comportamento dei neutroni nell’idrogeno e nelle sostanze idrogenate (in alto) e nell’uranio (in basso). (cortesia INFN)

Gli esperimenti successivi e le conseguenze della scoperta

Fermi iniziò così una nuova serie di esperimenti con obiettivo la produzione di isotopi radioattivi e di elementi transuranici con il bombardamento tramite neutroni lenti di vari tipi di bersagli. I neutroni lenti producevano reazioni (n, ϒ), cioè un neutrone era assorbito da un nucleo con conseguente emissione di un raggio gamma, e formazione di un nuovo nucleo radioattivo emettitore beta. Il raggio gamma era dovuto all’energia del neutrone, per il bilancio energetico della reazione. In pratica, i neutroni erano catturati da un nucleo bersaglio xT di numero atomico Zr secondo la reazione:

in cui l’isotopo di nuova produzione x+IT dell’elemento bersaglio era generalmente radioattivo e poteva passare attraverso un decadimento βin un radioisotopo dell’elemento successivo della tavola periodica (di numero atomico Zr + 1). Questi radioisotopi furono rilevati dalla loro radioattività, e talvolta identificati con l’aiuto di separazioni chimiche. Usando questo metodo per irradiare tutti gli elementi di cui poteva ottenere una sospensione, Fermi produsse moltissimi nuovi isotopi in pochi mesi.

A giugno del 1934, infatti, risultavano attivati da neutroni 47 elementi su 68 testati. I risultati sul bombardamento dell’Uranio da parte dei neutroni costituiscono un caso di estremo interesse. Fermi è portato a una interpretazione fisica dei risultati che implicherebbe l’avvenuta produzione di due elementi “transuranici”, ossia con numero atomico maggiore di quello dell’Uranio, l’ultimo elemento all’epoca noto della tavola di Mendeleev, che vengono battezzati come Ausonio (Z=93) ed Esperio (Z=94).

La tavola periodica nel 1934. In colore blu sono indicati gli elementi risultati inattivi al bombardamento con neutroni. In rosso sono indicati gli elementi attivabili e in verde
gli elementi di dubbia attivabilità.

Con una serie di articoli scientifici, Fermi e il suo team pubblicarono i risultati ottenuti per molti elementi (incluso l’Uranio, numero atomico 92), identificando diversi nuovi elementi radioattivi e facendo un grande sforzo nel tentativo di comprendere correttamente questa quantità di dati. In effetti, a quel punto della storia, il team aveva già realizzato la fissione nucleare del nucleo di uranio, ma l’aveva erroneamente interpretata come una creazione di due nuovi elementi chimici!

Negli anni successivi, Fermi cercò di ottenere la creazione di un istituto dedicato a queste ricerche (il futuro INFN), e dotato di un ciclotrone, cioè di un acceleratore di particelle che avrebbe permesso di produrre isotopi a volontà. Ma il concentrarsi del gruppo di Fermi sugli isotopi e sugli elementi transuranici ritardò di quattro anni la comprensione dell’effetto pratico ancora più importante dei neutroni lenti, cioè la capacità di indurre la scissione del nucleo con grande rilascio di energia.

La scoperta di Fermi fu, comunque, evidentemente cruciale per il successivo sviluppo, civile e militare, dell’energia atomica. Dopo che il gruppo ebbe proseguito per qualche altro anno le ricerche sulla comprensione del gran numero di eventi generati nel torio e nell’uranio, nel 1938, dopo l’annuncio delle leggi razziali, Fermi emigrò negli Stati Uniti, dove continuò le sue ricerche con grande successo, realizzando il 2 dicembre 1942 la prima reazione nucleare a catena controllata: una “pila atomica”.

Strati di grafite della pila atomica realizzata da Fermi nello stadio di Chicago.

Si trattò, in altre parole, del primo reattore nucleare a fissione. La cosa sarà presto sfruttata in ambito militare, perché la differenza fra una bomba atomica e una pila atomica sta solo nella rapidità con la quale si libera l’energia prodotta dalla fissione nucleare. Non a caso, Fermi fu uno dei direttori tecnici del famoso “Progetto Manhattan” americano che, insieme al contributo di altri noti fisici dell’epoca, portò alla progettazione e alla costruzione della prima bomba atomica.

Nel frattempo, il 10 dicembre 1938, due settimane prima di trasferirsi negli Stati Uniti, a soli 37 anni, a Enrico Fermi era stato assegnato il premio Nobel per la fisica per “l’identificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti”. In suo onore venne dato il nome a un elemento della tavola periodica, il fermio (simbolo Fm), nonché a un sottomultiplo del metro comunemente usato in fisica atomica e nucleare, il fermi.

Fermi a Stoccolma mentre riceve il premio Nobel per la Fisica.

AVVERTENZE. Abbiamo raccontato l’esperimento di Fermi non certo per suggerirne una replica amatoriale, ma perché, oltre a essere una delle pagine più importanti della fisica italiana, insegna allo scienziato dilettante cose utili sulla fisica nucleare e dei neutroni e su come si conduce una ricerca scientifica. Oltretutto, mentre il gas radon può provocare cancro ai polmoni, il berillio è notevolmente tossico, e l’inalazione dei composti del berillio può causare polmoniti chimiche acute (berilliosi acuta), che possono essere anche fatali. Conviene quindi starne ben alla larga!