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PROGETTO MANHATTAN. Capitolo 1 - parte prima

21 Novembre 2006 di Marco Di Marco

Dalla radioattività naturale alla pila di Fermi

Le vicende scientifiche che segnarono l’inizio della fisica nucleare e della meccanica quantistica, a partire dalle prime scoperte dei raggi X e della radioattività naturale, rappresentano uno dei capitoli più affascinanti e complessi della storia della scienza.
In queste pagine, divise in capitoli e sottoparagrafi per esigenze editoriali, si ricostruisce, sinteticamente ma esaurientemente, tutta la vicenda che ruotò attorno al disastro di Hiroshima e Nagasaki, le due città messe in ginocchio dalle bombe sganciate dagli Stati Uniti al termine della seconda guerra mondiale.
Per completezza, si inquadreranno dapprima, molto brevemente, questi fatti nel panorama teorico e sperimentale dell’inizio del secolo scorso, analizzando più nel dettaglio le scoperte e i personaggi cruciali per la realizzazione delle bombe che segnarono, in maniera indelebile, la storia del mondo. Questo anche per rendere onore ad una generazione di fisici straordinariamente prolifica ed alla rivoluzione scientifica che essa ha realizzato.
In seguito, più nel dettaglio, si parlerà del progetto Manhattan, dal punto di vista scientifico, storico, politico.
L’utilizzo delle testate nucleari era davvero necessario? E l’uranio utilizzato per la loro realizzazione, da dove proveniva? I nazisti erano davvero prossimi a realizzare anch’essi un ordigno nucleare? Che fine fecero gli ex ufficiali nazisti dopo la fine della guerra?A queste ed altre domande cercheremo di dare risposte, seguendo alcune ricostruzioni storiche recenti e scoprendo vicende ancora poco conosciute dal grande pubblico.

Capitolo 1: dalla radioattività naturale alla pila di Fermi

Il nucleo apre nuove vie: nasce la meccanica quantistica.

Nel febbraio del 1896 Henri Becquerel, conducendo studi sulla fluorescenza, si accorse che l’uranio, anche in assenza di fenomeni ad essa riconducibili, emetteva radiazioni nuove e sconosciute. La scoperta, avvenuta per caso quando lo scienziato ritrovò lastre fotografiche impressionate da uranio contenuto in un cassetto, aprì le porte ad una vasta e prolifica serie di studi.
Subito dopo Becquerel, infatti, i coniugi Curie scoprirono che se l’uranio era puro emetteva radiazioni in misura minore, e conclusero che le impurità dovevano contenere elementi ancora più radioattivi: erano il polonio ed il radio.
Un grande protagonista della storia della radioattività , forse sottovalutato dal grande pubblico, fu senza dubbio Ernest Rutherford, il quale sbarcò in Inghilterra alle dipendenze di un ancora giovane Thomson ed intraprese subito un lavoro sperimentale sul magnetismo prima e, dopo la scoperta di Röntgen, sui raggi X. Da qui, sulla scia del lavoro dei Curie, si dedicò alla radioattività dell’uranio.
Fu Rutherford a distinguere i raggi α e β in base alla loro diversa assorbibilità , e a giungere alla conclusione che i β sono elettroni e gli α nuclei di elio. Insieme a Soddy chiarì il concetto di probabilità di decadimento di un atomo radioattivo ed effettuò un lavoro sperimentale sulle particelle e sui nuclei di proporzioni enormi.
A lui si deve il primo tentativo, poi formalizzato meglio e ampliato da Niels Bohr, di giustificare una struttura planetaria per l’atomo, sebbene con calcoli classici.
Ancora, fu Rutherford ad identificare la prima disintegrazione nucleare, e giunse persino ad ipotizzare l’esistenza di una particella di massa uguale al protone ma con carica elettrica nulla (il neutrone), anche se non formalizzò mai una teoria a questo proposito. Nel 1911 Rutherford incontrò Bohr: da questo incontro il giovane Bohr trasse l’interesse per le particelle alfa ma, soprattutto, iniziò a dedicarsi agli studi teorici sul modello dell’atomo, poiché il modello planetario, che affascinava il fisico danese, sembrava però contraddire la fisica classica (l’elettrone sarebbe dovuto cadere nel nucleo) sollevando notevoli interrogativi e problematiche.
La risposta a questi problemi stava nel quanto d’azione di Max Plank, e fu proprio Bohr a formalizzare questo aspetto, ipotizzando la discretizzazione delle orbite consentite (stati stazionari):

1) l’equilibrio dinamico dei sistemi in stati stazionari si può trattare con la meccanica ordinaria, mentre il passaggio da uno stato stazionario ad un altro non può esser trattato su questa base.
2) Quest’ultimo processo è accompagnato dall’emissione di una radiazione omogenea per la quale sussiste la relazione tra frequenza ed energia data da Plank:

W2-W1=hν

Per muoversi in questo inesplorato terreno, Bohr propose un embrione di quello che oggi è il principio di corrispondenza: grazie a questi presupposti ricavò raggi ed energie delle orbite e formulò una teoria che venne suffragata, sebbene non fosse ancora completa, da numerose evidenze sperimentali. Siamo nel 1913.
Dopo la guerra, il suo lavoro e le conferme alle sue teorie resero Bohr un fisico celeberrimo, e lo condussero nell’Olimpo della fisica mondiale, ove conobbe Einstein (col quale divennero celebri le dispute sulla meccanica quantistica), Plank, Pauli e Heisenberg. Con quest’ultimo, in particolare, si instaurò un rapporto professionale importante e controverso, che influenzò notevolmente la storia del progetto Manhattan.
Molti dei perfezionamenti alla teoria di Bohr vennero dalla Germania, in particolare Frank e Hertz (il nipote dell’Hertz che dà il nome all’unità di misura della frequenza) mostrarono l’esistenza degli stati stazionari e studiarono il modo in cui gli elettroni, secondo le previsioni di Bohr, compiano salti da un’orbita ad un’altra. Stern e Gerlach rivelarono la quantizzazione spaziale e vennero formulati il principio di esclusione prima e l’esistenza del numero quantico di spin poi, entrambi per opera di Pauli.
Tra la Germania e la Danimarca, negli anni che vanno dal’20 al ’33 nacque la meccanica quantistica. L’Italia, tuttavia, divenne un centro di riferimento importantissimo nel panorama della fisica mondiale dopo l’avvento di Enrico Fermi, che a pieno diritto si può ritenere uno dei più grandi fisici di sempre.
In realtà la meccanica quantistica venne formulata in tre maniere differenti: Heisenberg, assieme a Jordan e Born propose un legame tra la coordinata spaziale q e i momenti coniugati p:

pq-qp=h/2Ï€i

p e q per Heisenberg erano matrici, per Schrödinger q era un numero e p un operatore, per Dirac erano particolari numeri che obbediscono ad un’algebra non commutativa. I risultati delle tre teorie sono i medesimi, anche se mostrarlo non fu proprio una passeggiata. Si deve ad Heisenberg anche il famoso principio d’indeterminazione: qualora si tenti di determinare allo stesso tempo velocità e posizione di una particella si deve tener conto di una incertezza proporzionale alla costante di Plank che ne proibisce la determinazione al di là di una certa precisione. Tale relazione si estende ad altre grandezze quantistiche che non commutano, ad esempio energia e tempo. L’importanza del principio di Indeterminazione per la fisica è enorme: sulla lapide di Heisenberg campeggia la scritta: “Giace qui, da qualche parte”.
Altri contributi importanti alla nascente teoria quantistica vennero ancora da Heisenberg, che risolse l’atomo di elio e da Dirac, il quale formulò per primo una teoria relativisticamente invariante sebbene nel solo caso di spin ½.
Dopo questa breve introduzione storico-scientifica, nel prossimo paragrafo entreremo finalmente nel vivo della fisica nucleare, parlando della scoperta del neutrone, di Enrico Fermi e dei ragazzi di via Panisperna e della pila atomica realizzata nel 1942.



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