Il neutrino e la bomba atomica

Premessa

Il neutrino è una particella elementare nota sin dagli anni trenta del XX secolo e non si può negare che alcune intuizioni di Ettore Majorana, il fisico di origine siciliana “misteriosamente” scomparso qualche anno prima (1938) dello scoppio della II Guerra Mondiale, sono state confermate relativamente di recente, comunque non prima del 1956; il fisico Joao Magueijo ritiene che il lavoro di E. Majorana – svolto in parte in seno al gruppo di lavoro romano noto come “I ragazzi di Via Panisperna”, coordinato da Enrico Fermi – dovrebbe essere premiato con un Nobel per la fisica ma, come è noto, il premio non può essere assegnato postumo e non c’è motivo per dubitare che nel 2014 il fisico non sia più vivo!

Il primo fisico che teorizzò l’esistenza della particella elementare di cui trattasi fu il fisico teorico di origini austriache Wolfgang Pauli; questi lo fece per spiegare il decadimento beta o, se si preferisce, la seconda forma in cui può manifestarsi un decadimento radioattivo (radiazione beta).

Il nome della particella (da attribuirsi a E. Fermi) deriva dal fatto di essere elettricamente neutra e di possedere una massa notevolmente più piccola di quella del neutrone, particella costituente il nucleo di un atomo e la cui presenza o meno, in numero variabile (minore o maggiore) di quella dei protoni, determina la forma isotopica di molti elementi chimici della tabella periodica.

Il neutrino arricchisce il modello atomico – nucleare costituito da protoni (particelle con carica elettrica positiva), neutroni (particelle prive di carica elettrica, con una massa pari circa a quella del protone) ed elettroni.

Atomi, isotopi, numeri atomici e numeri di massa

Generalità sul nucleo dell’atomo

Negli anni trenta la presunta esistenza del neutrino arricchì la già articolata natura atomica: un atomo, così come lo descriveremo oggi, è composto da un nucleo costituito da protoni (il cui numero coincide con la posizione del dato elemento della tabella periodica) e neutroni, in numero pari ai protoni solo per gli elementi della tabella periodica stessa.

Vale la pena sottolineare che il numero atomico Z (identificativo del numero di protoni di cui è dotato ciascun atomo o isotopo), corrisponde al numero di elettroni[1] che ruotano intorno al nucleo; ciò è dovuto al fatto che l’atomo o l’isotopo devono risultare elettricamente neutri.

Isotopi

Negli anni trenta del XX secolo, tuttavia, erano già stati “osservati” elementi gemelli – chiamati isotopi – di quelli riportati nella tabella periodica; essi sono caratterizzati dall’avere lo stesso numero atomico[2] (Z) ma un numero di massa[3] (A) diverso da quello dell’elemento gemello.

L’idrogeno (H) il cui nucleo è composto da un protone e un neutrone si chiama deuterio; esistono, però altre due forme isotopiche dell’elemento H: il prozio, con Z = 1 (cioè un protone) e A = 2 (cioè il nucleo è composto da un protone e un neutrone); il trizio, con Z = 1 (cioè un protone) e A = 3 (cioè il nucleo è composto da un protone e due neutroni).

Il litio (Li), che occupa la terza casella nella tabella periodica degli elementi di Mendeleev, ha un numero atomico Z = 3 (cioè il suo nucleo possiede tre protoni) ma si presenta in una forma isotopica con 4 neutroni, cosicché il numero di massa A = 3 + 4 = 7.

Elementi radioattivi

I “gemelli non identici” rappresentati da atomi e isotopi (aventi uguale numero atomico Z ma differente numero di massa A) possiedono lo stesso numero di elettroni esterni; poiché gli elettroni sono responsabili del comportamento chimico di una sostanza, atomi e isotopi di uno stesso elemento mantengono inalterate molte proprietà chimiche in quanto hanno lo stesso numero di elettroni.

Pertanto, la chimica è incapace di riconoscere un atomo da un isotopo del medesimo elemento; oltretutto in natura gli isotopi si presentano in misura assai ridotta rispetto ai corrispondenti elementi[4].

La maggior parte degli isotopi si disintegra spontaneamente emettendo radiazioni. Questa proprietà fu scoperta per la prima volta nel Radio (Ra), da cui il nome di radioattività associato a un elemento o isotopo capace di emettere radiazioni alfa, beta o gamma.

Massa, carica e spin del neutrino

Il neutrino è una particella che fa parte integrante e sostanziale del Modello Standard e che si presenta in triplice veste: come neutrino elettronicoe), come neutrino muonicoμ) o come neutrino tauonicoτ).

Il neutrino è una particella (quantistica) elettricamente neutra (carica elettrica = 0) con spin[5] semintero, cioè uguale a 1/2 e, pertanto, appartiene alla famiglia dei fermioni[6].

La massa (equivalente)[7] del neutrino elettronico (νe) è inferiore a 2,2 eV/c2; quella del neutrino muonico (νμ) è inferiore a 0,17 MeV/c2 mentre quella del neutrino tauonico (ντ) è inferiore a 15,5 MeV/c2.

Velocità e proprietà caratteristiche del neutrino

I neutrini, che viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce (c = 3 * 108 m/s) sono numerosi quanto i fotoni; l’Universo ne è ricolmo e impregnato, giacché hanno la proprietà di attraversare la materia con enorme facilità, al punto che per decenni si è disperato di non riuscire a evidenziarne la presenza con metodi sperimentali.

Per i neutrini la materia è “trasparente”, al punto che lo sciame di particelle che intercetta la Terra la attraversa da parte a parte, senza che gli atomi (nuclei ed elettroni) li intercettino o interagiscano con essi se non una tantum.

Quando è stato realizzato il primo telescopio a neutrini, lo si è posizionato in un polo e lo si è puntato verso il polo terrestre opposto per poter “vedere” i neutrini provenienti dal Sole e diretti verso il pianeta Terra; ciò ha dell’incredibile solo se non si tiene conto del fatto che i neutrini possono attraversare uno spesso strato di materia “ordinaria” dell’ordine di qualche anno luce!

Conclusioni

L’energia associata alle radiazioni conseguenti al decadimento radioattivo di un elemento è molto maggiore di quella associata alle reazioni chimiche.

È questa circostanza a suggerire, sin dagli anni trenta del XX secolo, che nel nucleo è presente una fonte di energia di proporzioni enormi e non si tardò molto a comprendere che essa poteva servire anche a scopi bellici; sino alla prima metà del XX secolo, infatti, le bombe erano basate sulle reazioni chimiche innescate con sostanze esplodenti (esplosivi), la cui energia era nettamente inferiore a quella associata alla disintegrazione radioattiva.

Secondo alcuni fisici e storici della fisica Ettore Majorana intuì e forse persino scoprì e dimostrò – nascondendo però la sua scoperta agli occhi della comunità scientifica, come peraltro aveva già dato prova di fare – questa proprietà e ne ebbe paura, al punto – sostiene qualcuno – da decidere di dileguarsi (per sempre!).

Il neutrino è una particella elementare che presiede al fenomeno associato a un’esplosione nucleare; non a caso oltre al Sole il modo più “semplice” – si fa per dire – per produrre neutrini è innescare una reazione termonucleare, ovverosia far esplodere una bomba atomica!

Dott. Ing. Andrea Alessandro MUNTONI

 

[1] Gli elettroni sono particelle elementari con carica elettrica negativa, la cui massa è pari a circa 1/1800 di quella del protone. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo a elevatissima velocità secondo orbite variabili per forma, orientamento e dimensioni.

[2] Il numero atomico, indicato con la lettera Z, rappresenta il numero di protoni costituenti il nucleo di un atomo. Il primo elemento della tabella periodica degli elementi di Mendeleev è l’idrogeno, che ha un valore di Z uguale a 1.

[3] Il numero di massa, indicato con la lettera A, rappresenta la massa complessiva dei protoni e dei neutroni costituenti il nucleo di un atomo o di un isotopo. Il nucleo di un atomo di Ossigeno (O) ha 8 protoni e 8 neutroni; il numero atomico è Z = 8 mentre il numero di massa è A = 8 + 8 = 16.

[4] Solo il 2 per mille degli atomi di ossigeno ha 8 protoni (Z = 8) e 6 neutroni, cioè si presenta in forma isotopica con A = 14 anziché con A = 16.

[5] Lo spin di una particela quantistica rappresenta ed esprime – numericamente – la rotazione della particella stessa attorno ad un asse, che coincide con la direzione seguita dalla particella in movimento. La rotazione avviene ad una velocità angolare dθ/dt, in cui dθ [rad] è l’angolo di rotazione e t [s] è il tempo elementare in cui quell’angolo viene “spazzato” dalla particella in rotazione. La rotazione in senso orario è chiamata spin up; la rotazione in senso antiorario è chiamata spin down. Lo spin può essere intero (1) o semintero (1/2, 3/2, 5/2).

[6] I termine fermione è stato coniato in onore del fisico italiano Enrico Fermi.

[7] La massa equivalente di una particella elementare è data dal rapporto tra la sua energia E [eV] e il quadrato della velocità della luce c [m2/s2], sulla base della teoria della relatività ristretta di Einstein, che si traduce nella nota equazione E = m · c2.

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