Dall'elettrone alla fisica delle particelle
In che modo vediamo gli oggetti a nostra scala di grandezza? Una sorgente luminosa invia la luce sull'oggetto che vogliamo osservare (bersaglio), la luce riflessa stimola l'occhio (rivelatore) permettendo al cervello di ricostruire un'immagine dell'oggetto. Questo schema generale si ritrova anche negli esperimenti utilizzati in fisica per ricavare informazioni sugli oggetti a scala atomica e subatomica: una sorgente opportuna produce un fascio di particelle; questo fascio viene fatto urtare su un bersaglio (oggi di solito costituito da un altro fascio di particelle); le particelle uscenti dalla regione di collisione sono allora registrate da specifici rivelatori, e la stazione di sintesi dei dati fornisce informazioni sui costituenti ultimi della materia e sulle loro interazioni.
Le prime sorgenti utilizzate in fisica atomica furono le varie radiazioni emesse dai tubi a vuoto e dagli elementi radioattivi, e i primi rivelatori furono costituiti da materiali fluorescenti o da lastre fotografiche. Negli ultimi anni dell'Ottocento due dispositivi, nati con altri intenti, cominciarono a essere usati come rivelatori di particelle: le camere di ionizzazione e le camere di Wilson (o a nebbia). Ma i rapidi progressi della fisica nel settore stimolarono lo sviluppo di nuovi rivelatori; tra questi il "contatore di Geiger-Müller", ideato nel 1908 e perfezionato nel 1928. Con queste sorgenti e i vari rivelatori si arrivò alla scoperta del protone (1919) e del neutrone (1932), le due particelle che insieme all'elettrone costituiscono l'atomo.
Nuovi sviluppi erano però all'orizzonte. Nel 1912, Franz Hess scoprì l'esistenza di una sorgente extra-terrestre di radiazioni, i raggi cosmici (nome introdotto da Millikan nel 1925), costituita da particelle di alta energia che gli scienziati non erano ancora in grado di produrre in laboratorio. A partire dalla seconda metà degli anni 1920, i progressi teorici e permisero di avviare la ricerca con la nuova sorgente. Almeno fino agli anni 1950, i raggi cosmici rimasero una delle fonti principali per la scoperta di nuove particelle e l'analisi delle loro interazioni.
Con gli anni 1950 gli acceleratori di particelle, introdotti nei primi anni 1930, rimpiazzarono i raggi cosmici, fornendo sorgenti controllabili di particelle di alta energia e conducendo in breve tempo alla scoperta di un enorme numero di nuove particelle. Parallelamente all'introduzione degli acceleratori, versione novecentesca dei tubi a vuoto, si assisté all'avvento di nuovi rivelatori, come le camere a bolle, i contatori e le camere a scintilla.
Contatori di Geiger usati da Bruno Rossi, non firmati, 2/4 XX secolo
Nel 1908, Hans Geiger e Ernest Rutherford misero a punto un nuovo strumento, basato sul potere ionizzante delle particelle cariche, ma che permetteva di rivelare e contare le particelle tramite metodi elettrici. Consisteva di un tubo conduttore lungo il cui asse è teso un filo metallico. Tra i due conduttori era applicata una tensione di alcune centinaia di volt, insufficiente di per sé ad innescare una scintilla nel gas a bassa pressione che riempiva lo strumento. Se però il gas veniva attraversato da una particella carica che lo ionizzava, si produceva all'interno del tubo una scarica che veniva registrata da un elettrometro. Geiger e Rutherford poterono così contare da 5 a 10 particelle al minuto. Questo tipo di contatore, di cui una nuova versione venne proposta nel 1928 dallo stesso Geiger e da Walther Müller, conobbe una larga diffusione diventando noto con il nome di "contatore Geiger" o "Geiger- Müller".
Fisica nucleare e subnucleare a Padova tra gli anni 1930 e 1950
Bruno Rossi venne chiamato nel 1932 a Padova sulla cattedra di fisica sperimentale. Nei sei anni di permanenza a Padova - nel 1938 Rossi fu costretto a lasciare l'Italia a causa delle leggi raziali - Rossi svolse una fruttuosa attività di ricerca, introducendo lo studio dei raggi cosmici e iniziando la costruzione di un acceleratore da un milione di Volt (1 MV).
Dopo Rossi, il nuovo direttore dell'Istituto fu Antonio Rostagni. Si deve essenzialmente a Rostagni e Niccolò Dallaporta, dopo i difficili anni della guerra, il rilancio della fisica a Padova. Rinunciando all'acceleratore da 1 MV di Rossi, troppo costoso per l'epoca, Rostagni riprese le ricerche sulla fisica dei raggi cosmici. Tra il 1948 e il 1950 si formarono tre gruppi di ricercatori sperimentali che lavorarono rispettivamente con strumenti soprattutto elettronici, con emulsioni nucleari e con una camera di Wilson. Nel 1950, venne costruito al Pian di Fedaia a quota 2000 metri un laboratorio per lo studio dei raggi cosmici, dove vennero svolte una serie di importanti osservazioni.
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L'acceleratore di ioni da 1 MV fatto
costruire presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di
Padova sotto la direzione di Bruno Rossi a partire dal 1937. Nel novembre 1938, l'impianto generatore da 1 MV era già funzionante e collaudato; era in costruzione il tubo a vuoto in cui dovevano essere accelerati gli ioni, mentre era già pronto anche un grosso elettromagnete per gli esperimenti sulle particelle prodotte con questo impianto. Una sala dell'Istituto di Fisica, con un soffitto all'altezza di 12 metri, era stata costruita su misura per questo acceleratore di cui si dovette però abbandonare la costruzione con l'inizio della Seconda guerra mondiale. |
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Diodo ad alta tensione per l'alimentazione dell'acceleratore da 1 MV dell'Istituto di Fisica di Padova, firmato Radion Milano, 1935 |
