Rutherford, Ernest (lord Rutherford of Nelson)

 

 

 

(Brightwater, Nelson, Nuova Zelanda 30.8.1871 - Cambridge, Inghilterra 19.10.1937) Fisico inglese nativo della Nuova Zelanda. Segnalatosi per le sue qualità ottenne varie borse di studio. I suoi primi articoli scientifici furono dedicati allo studio della magnetizzazione del ferro sotto campi magnetici rapidamente variabili. R. impiegò le caratteristiche del ferro di rispondere prontamente a queste variazioni per realizzare un detector magnetico, cioè un dispositivo in grado di rilevare onde radio elettromagnetiche (1894). Il semplice apparato era in grado di funzionare su distanze dell’ordine di quasi un km. Più tardi (1902) = G. Marconi riinveterà o riprenderà questi suoi studi per realizzare un radioricevitore migliore di quelli a coherer (= T. Calzecchi Onesti, = E. Branly, = O. Lodge) da lui perfezionati e usati fino ad allora in telegrafia senza fili. Si laureò nel 1894 all’Università di Christchurch.

Nel 1895 R. lasciò la Nuova Zelanda grazie a una borsa di studio che gli consentiva di andare a studiare a Cambridge (Inghilterra) con = J.J. Thomson. Era il primo anno che Cambridge apriva i propri laboratori di ricerca a studenti che non si erano laureati nella sua università. Le ricerche con Thomson riguardarono misure di conduttività per ionizzazione dell’aria prodotta dai raggi X, da poco scoperti (1895) da = W.K. Röntgen. Nei loro lavori R. e Thomson si dedicarono allo studio sistematico dei processi di ionizzazione dei gas, introducendo i concetti di ricombinazione e mobilità delle particelle cariche, individuando, nello studio della conduttività dei gas, la fase della corrente di saturazione, con la relativa scoperta della violazione della legge di = G. Ohm. In questa serie di studi R. si occupò anche della conducibilità prodotta nei gas dai raggi ultravioletti.

Prima che il terzo degli articoli scritti a Cambridge fosse stampato, R. aveva già ottenuto un posto da docente presso la McGill University di Montreal (Canada). Qui R. ebbe autonomia di ricerca, un ottimo laboratorio e un bravo collaboratore, proveniente da Oxford, dove si era laureato nel 1898: il chimico = F. Soddy. R. aveva, infatti, deciso di dedicarsi allo studio dei fenomeni radioattivi, recentemente (1896) scoperti da = A.-H. Becquerel e poi proseguiti brillantemente da = Marie e = Pierre Curie, con la scoperta del polonio e del radio. = G.C.N. Schmidt aveva constatato che anche il torio, oltre all’uranio, emetteva spontaneamente radiazioni. In un’analisi delle sostanze radioattive R. scoprì che il radio emette raggi di due tipi, che chiamò a e b, e che si differenziano per la loro forza di penetrazione attraverso la materia. Identificati i b come elettroni negativi R. si rese conto che le particelle a avevano una massa corrispondente a quella dell’elio, e che avevano carica positiva. Il riconoscimento nell’emissione del radio di una terza radiazione, di natura elettromagnetica, raggi g (1908), spettò a = P.H. Villard. Più tardi si rese conto che le a erano atomi di elio, ionizzati due volte positivamente. Questo avvenne, con la collaborazione di T. Royds, dopo il suo ritorno in Inghilterra (1907), in un celebre esperimento. I contributi canadesi di R. furono importantissimi. Nello studio del torio trovò la presenza della sua emanazione gassosa, e poi del torio X, solido. Nel 1903, con la collaborazione di Soddy, redasse la teoria delle trasmutazioni successive degli atomi, chiaramente redatta sulla base delle scoperte precedenti. Gli atomi subivano un processo di trasmutazione spontanea, da un elemento chimico a un altro, mediante successive emissioni di particelle a e b. Erano affermazioni sconvolgenti per un’epoca in cui gli scienziati erano ancora profondamente convinti della stabilità assiomatica degli atomi. L’instabilità degli atomi pesanti, il loro decadimento, le successive trasformazioni casuali, il concetto di vita media, di tempo di dimezzamento e, in generale, della natura del tutto stocastica di questi processi, non era cosa facile da far accettare alla comunità dei fisici. Nonostante tutto, la qualità del lavoro di R. e dei suoi collaboratori fu però compresa.

Nell’estate del 1907, R. venne chiamato sulla cattedra di fisica di Manchester. A questo punto R. e collaboratori si concentrarono sul rilevamento e sul conteggio delle particelle a. Vennero sviluppate due principali metodologie. La prima, suggerita dall’osservazione di = W. Crookes che sotto l’effetto del bombardamento di raggi a alcune sostanze (ad esempio blenda, ZnS) divengono luminescenti (schermo di scintillazione), la seconda, in collaborazione con = H.W. Geiger, consiste nella realizzazione di un dispositivo automatico di registrazione ("contatore Geiger", 1908). Con il primo metodo, e l’uso di un microscopio, era addirittura possibile osservare direttamente, a occhio, l’effetto dell’arrivo di una singola a su una lastrina di ZnS. Questi metodi consentirono lo studio della diffusione (scattering) di a nella loro collisione con sottili lastre di metallo, e quindi della loro collisione con gli atomi degli stessi.

Nel 1909 Geiger ed = E. Marsden osservarono che gli atomi di foglioline d’oro (o platino), occasionalmente deflettevano a di angoli molto grandi e, in qualche caso (1/8000) persino le respingevano all’indietro. R. considerò questo effetto così: "... fu proprio il più incredibile evento che sia mai accaduto nella mia vita ... Fu quasi come se voi sparaste con un cannone del calibro di 15 pollici contro un sottile pezzo di carta e il proiettile ritornasse indietro e vi colpisse... (It was almost as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you)". Ben sapendo che la collisione con gli elettroni leggeri (scoperti da J.J. Thomson, 1897) in una nuvola diffusa di carica positiva non poteva certo spiegare tale effetto, R. propose (1911) il suo modello planetario degli atomi. Gli atomi possiedono un piccolissimo nucleo positivo al loro centro in cui è concentrata quasi tutta la massa dell’atomo. Attorno a esso, come pianeti leggerissimi, ruotano su orbite chiuse gli elettroni. Il modello rappresenta l’atomo come un sistema solare. Questo modello atomico, nuovo rispetto a quello di J.J. Thomson (basato sul ruolo fondamentale dell’elettrone), fu accolto con molto scetticismo. Infatti, secondo le equazioni di = J. Clerk Maxwell, tale sistema di cariche negative (elettroni) accelerate nel loro movimento di rivoluzione attorno al nucleo (positivo) doveva irradiare di continuo, perdendo rapidamente energia. Gli elettroni dovevano collassare sul nucleo. Il sistema non era stabile. La contraddizione con la stabilità della materia era lampante.

Tuttavia, presto la situazione mutò radicalmente. Il giovane studioso danese = N. Bohr (1911), che aveva trascorso otto mesi di ricerca con J.J. Thomson a Cambridge, evidentemente senza trovare conforto nelle sue idee, si trasferì a Manchester da R. proponendo una ardita soluzione al problema della stabilità dell’atomo. Alla base della sua idea era il concetto che non tutte le orbite degli elettroni attorno al nucleo fossero permesse. Erano possibili solo certe orbite e che, come tali, erano stabili. In altre parole, il momento orbitale dell’elettrone attorno al nucleo poteva avere solo valori multipli di una determinata quantità, era quantizzato. La radiazione da parte dell’elettrone non era quindi emessa continuamente provocandone la caduta a spirale sul nucleo, ma solo quando un elettrone passava da un’orbita permessa a un’altra. Su questa base Bohr nel 1913 calcolò teoricamente gli spettri d’emissione e assorbimento dell’atomo di idrogeno trovando un accordo eccellente con quanto osservato sperimentalmente da = J.R. Rydberg e = J.J. Balmer. Dal 1914 Bohr tenne l’insegnamento della fisica teorica a Manchester. Nel 1916 tornò in Danimarca dove avrebbe creato una celebre scuola di fisica teorica. La sua combinazione di meccanica classica e di teoria quantistica per descrivere il moto orbitale dell’elettrone aveva rivoluzionato la teoria atomica e doveva avere ulteriori sorprendenti sviluppi: furono molti all’epoca a dubitare di quelle considerazioni. Primo fra tutti, e a lungo, il grande = M. Planck.

Sempre nel 1913 Soddy aveva stabilito le sue leggi dello spostamento radioattivo basate sull’emissione o l’assorbimento da parte di un nucleo di una particella a o b. Dovevano essere un potente mezzo interpretativo di moltissimi fenomeni di trasmutazione radioattiva ma, per la loro quasi generale applicabilità, finirono per costituire una sorta di sbarramento concettuale a più radicali trasformazioni quali la fissione nucleare (= I. Noddack, = O. Hahn). Durante la prima guerra mondiale R. ebbe compiti scientifici militari nel settore del rilevamento subacqueo dei sottomarini. Poi nel 1919 assunse la cattedra a Cambridge di J.J. Thomson, ritiratosi per motivi di età, ma che continuò ancora a lungo a lavorare presso il Cavendish Lab (= J. Clerk Maxwell). Fin dal suo primo anno a Cambridge, R. riuscì a dimostrare che accanto alle disintegrazioni spontanee, naturali, se ne potevano realizzare anche di artificiali, mediante un esperimento che documentava in modo ineccepibile la disintegrazione di atomi d’azoto. Fin dal 1920 R. avanzò un’interessante ipotesi, cioè che esistesse una particella neutra dalle caratteristiche massive del protone: il neutrone. Fu il suo collaboratore = I. Chadwick – con cui R. dimostrò, tra il 1920 e il 1924, che la maggior parte di atomi leggeri potevano essere trasformati per bombardamento di a (moderna alchimia, la chiamò R.) – a scoprire nel 1932 il neutrone. Altri suoi allievi, = J.D. Cockcroft e = E.T.S. Walton, produssero, mediante acceleratore lineare, la disintegrazione di atomi pesanti, altri ancora, = M. Oliphant e P. Harteck, riuscirono a produrre la prima fusione nucleare bombardando deuterio con nuclei di deuterio e producendo trizio (1934). È un po’ un segno che, dopo il premio Nobel per la chimica ricevuto nel 1908 e, soprattutto, negli ultimi 15 anni della sua vita, R., pur attivo e dinamico, aveva riservato a se stesso un ruolo di guida e di consigliere scientifico per i suoi allievi che, per la sua forte, cordiale, ma a volte anche aspra personalità, furono sempre molto numerosi. Non sempre, naturalmente, le sue idee furono corrette. Sul ruolo dell’energia nucleare e del suo possibile uso ebbe a dire ripetutamente che l’idea era all moonshine (un chiaro di luna). Soddy, invece, vi aveva creduto fin dal 1906, ma il suo confinamento a Oxford, università allora poco propensa a sviluppare avanzati laboratori e ricerche in chimica e nelle scienze applicate, lo aveva sempre più frustrato ed emarginato. In suo onore, l’elemento atomico 104 fu denominato Rutherfordium.

 

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