Domani, 29 settembre, mi son svegliato e…

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Luigi Campanella già Presidente SCI

Il 29 settembre è diventata una data nota a molti in quanto ad essa è stata dedicata una popolare canzone degli anni 60.

A me piacciono le canzoni,  ma da buon ricercatore, quale spero di essere, non posso non ricordare che quella data è importante per tutto il mondo per ben altro motivo, è la data di nascita di Enrico Fermi, il ragazzo di via Panisperna e Nobel per la Fisica, nato a Roma nel1901, come si diceva, il 29 settembre. A lui di deve l’idea di utilizzare neutroni lenti per bombardare gli atomi dei diversi elementi. Giunto all’elemento più pesante, l’uranio, pensò di aver ottenuto elementi transuranici. In effetti successivamente ammise che gli esperimenti eseguiti da Hahn e Strassmann facevano pensare piuttosto alla disintegrazione dell’uranio. Non sono un fisico, ma mi sento di affermare che Fermi rappresenti l’icona dello scienziato, con mille interessi, curioso e razionale al tempo stesso, intuitivo e deduttivo. Si affermò rapidamente tanto da divenire cattedratico all’età di soli 25 anni, radunando attorno a sè nell’edificio di via Panisperna studiosi come Amaldi, Setti,Segre.

Nel 1938 gli fu assegnato il Nobel e da Stoccolma dove lo ricevette si trasferì negli USA, senza tornare in Italia, per evitare che le famigerate mai sufficientemente vitupefate leggi razziali fossero scontate da sua moglie ebrea. In effetti già prima di ricevere il NOBEL e di trasferirsi negli USA era stato affascinato dalle esperienze condotte sull’atomo da Hahn e Strassman per scinderlo, tanto che nella sua Nobel Lecture aggiunse, rispetto all’originaria versione, la seguente nota: la scoperta di Hahn e Strassmann (di cui abbiamo parlato in un recente post) rende necessario riesaminare tutta la questione degli elementi transuranici poiché molti di essi potrebbero essere dovuti alla disintegrazione dell’atomo. In ogni caso a riconoscimento e dimostrazione del successivo importante lavoro di Fermi e collaboratori negli USA tre anni dopo era pronta la prima pila atomica, che frantumando un atomo di uranio produceva energia, in effetti neutroni, che colpivano altri atomi in un processo controllato  a cascata. Questo successo nasceva però dal riconoscimento da parte di Fermi della misinterpretazione dei suoi esperimenti e dall’accettazione di quella data con l’apparecchiatura di Hahn e Strassmann. Oggi la Storia della Fisica riconosce questi diversi ruoli, anche sulla base delle attente  analisi condotte sui quaderni  di laboratorio del team di via Panisperna. Dopo questo successo, affascinato da Einstein e adulato da Roosevelt, prese la direzione scientifica dei laboratori di Los Alamos dove fu preparata la bomba che esplose nel vicino deserto-era il 16 luglio del 1945- paragonata dallo stesso Fermi per i suoi effetti a diecimila tonnellate di tritolo. Quello che avvenne dopo – un nuovo test sganciandola su  “una base militare” circondata da abitazioni (NdB cioè Hiroshima, il presidente Truman la definì così nel discorso del 9 agosto 1945)- non vide d’accordo nè Fermi nè Oppenheimer, il direttore tecnico di Los Alamos. La domanda che ancora oggi si sente formulare in relazione alle responsabilità ed alle terribili devastanti  conseguenze di quel lancio è: Fermi può essere considerato il padre della bomba atomica? La storia della scienza ci insegna che le scoperte non sono mai  merito di un solo ricercatore; ciascuno è sempre l’erede di precedenti studi  e  significative  collaborazioni. Credo sia  anche il caso di Fermi i cui studi partirono e comunque si appoggiarono a quelli di Born, Einstein, Heisenberg, Rutheford.

Quello che ancora oggi gli viene imputato è di avere diretto l’esperimento su Hiroshima e soprattutto di non avere mai sconfessato la sua creatura giustificandola come necessaria per la rapida fine della guerra ed il conseguente risparmio di altre vite umane. Sappiamo che neanche questo accadde perchè ci volle un’altra bomba su Nagasaki affinchè ciò avvenisse. Fermi credette  anche nell’energia nucleare come strumento in medicina contro i tumori in particolare. Le valutazioni di un ricercatore dinnanzi alle ricerche  che svolge possono scaricarne le responsabilità? E’ questa una domanda continuamente riproposta-al centro dell’Etica della Scienza-ma  ancora con risposte ambigue e discordanti.

altri post sul tema:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2018/06/07/la-storia-della-scoperta-della-fissione-nucleare-i-chimici-risolvono-un-problema-fisico-prima-parte/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/20/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-lise-meitner-1878-1968/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/06/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-ida-noddack-1896-1978/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/08/04/era-bario-davvero/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/10/29/quanta-chimica-ce-nelle-bombe-atomiche-3/

 

La storia della scoperta della fissione nucleare: i chimici risolvono un problema fisico. Seconda parte

Roberto Poeti

 la prima pare di questo post è stata pubblicata qui

Una scoperta che fece fare un passo in avanti

Per tre anni , dal 1934 al 1937 i laboratori di Parigi e Berlino continuarono le loro ricerche sui presunti elementi transuranici prodotti dal bombardamento neutronico dell’Uranio . Non ci furono rilevanti novità . L’impianto teorico su cui si fondavano le ricerche non fu messo in discussione . Nuovi risultati si ebbero solo nel 1937 quando il gruppo di Irene Curie identifica un nuovo radionuclide con t1/2 di 3.5 h , R 3,5h , tra quelli ottenuti nel bombardamento dell’Uranio. Da misure radiochimiche emerge che il radionuclide non era classificabile tra gli elementi transuranici e che si poteva trattare di un isotopo del Torio formato dall’Uranio per cattura di un neutrone e espulsione di una particella α. “ Il corpo R 3,5t non è stato osservato né da noi , né da Hahn , Meitner e Strassmann , prima di aver impiegato schermi che eliminassero l’interferenza provocata dalla presenza dei prodotti di decadimento dell’Uranio naturale , di cui uno era proprio il Torio“ (5). La notizia della scoperta raggiunge il gruppo di Berlino , che però non condivide le conclusioni di Parigi. Curie e Savitch continuano nei tentativi per la sua identificazione , escludono alla fine che si tratti del Torio . Per la sua separazione hanno impiegato come carrier Il Lantanio , inoltre le proprietà chimiche lo avvicinano alle terre rare . “In base alle sue proprietà chimiche , sembrerebbe che questo corpo non possa essere che un isotopo dell’Attinio [n.d.r: stesso gruppo del Lantanio] , o un nuovo corpo transuranico che possiede proprietà chimiche molto differenti da quelle degli omologhi superiori di Renio e Platino “ (6).

Un obbiettivo mancato

Nello stesso anno (ottobre 1938 ) Curie e Savitch inviano al Journal de Phisique et Radium un resoconto del loro lavoro , complesso e minuzioso , portato avanti per stabilire se il Radionuclide poteva essere un isotopo dell’Attinio . Seguendo il metodo introdotto da Maria Curie , eseguono una separazione per precipitazione frazionata di una soluzione contenente Lantanio e il radionuclide R 3,5h   , previa eliminazione di tutti gli altri elementi presenti , con l’aggiunta di un isotopo dell’elemento Attinio come tracciante . Le indagini radiochimiche mostravano la separazione dell’Attinio dal Radionuclide R 3,5h . Il Radionuclide rimaneva con il Lantanio . Quindi l’Attinio e il Radionuclide apparivano elementi diversi. La cosa sorprendente è un’altra successiva esperienza , che riporta l’articolo , sulla separazione compiuta su Lantanio e Il Radionuclide . Ma lo scopo non è quello di verificare la separabilità dei due elementi , intenzione di cui non fanno alcun cenno , quanto quello di confermare che Attinio e Radionuclide R 3,5t sono diversi ! “ Una esperienza di precipitazione incompleta [ sottilineatura mia] con l’ammoniaca di La + R 3,5h indica anche che R 3,5h si concentra nella prima porzione precipitata , sarebbe quindi meno basico [ n.d.r.: più insolubile ] del Lantanio. Mentre sappiamo che l ‘ Attinio è più basico del Lantanio . Pare dunque certo che R 3,5h non è un isotopo dell’ Attinio “ .

La scoperta rientra nel paradigma dominante

Una separazione incompleta , in matrici considerate molto complesse , poteva avere diverse cause, e sarebbe stato necessario indagare ancora , ma non si procede a nessun ulteriore controllo, perché ? . ( Sappiamo che l’Uranio , nel bombardamento neutronico , ha subito una scissione , si sono formati radionuclidi a numero atomico molto più basso . Tra questi si trova anche un isotopo del Lantanio . Perciò R 3,5h , in realtà , è un isotopo del Lantanio, chimicamente indistinguibile , perciò non sono separabili con una cristallizzazione frazionata). Ancorati al concetto che l’Uranio si può modificare, dopo irraggiamento neutronico , formando elementi transuranici attraverso il decadimento β , Curie e Savitch arrivano alla conclusione , dopo aver scartato l’ipotesi dell’Attinio , che anche il radionuclide R 3,5h   deve essere un elemento transuranico . E nel tentativo di inserirlo in quella regione della tavola periodica , pur avendo proprietà chimiche diverse, fanno l’ipotesi che il nuovo elemento transuranico possa avere gusci di valenza variabili . Questa e altre ipotesi appaiono poco plausibili (7) . I due fisici , che primeggiano nel campo della fisica nucleare e della radiochimica, non trovano la soluzione corretta che è a portata di mano perché non la cercano . Non escono dal paradigma dominante.

Nell’articolo del Journal de Phisique et Radium sono rappresentati gli ultimi tre periodi della T.V . L’Actinio compare nel gruppo delle terre rare e gli elementi transuranici sono disposti sotto il Renio e i metalli del gruppo del Platino

Ci provano i chimici Hahn e Strassmann

Questi limiti , vedremo , sono superati dal gruppo di Berlino dove lavorano i chimici Hahn e Strassmann (l’altro componente, la fisica Meitner , è dovuta riparare all’estero perché ebrea, ma , sempre in contatto con Berlino , fornì un aiuto importante ) . Venuti a conoscenza dei risultati del gruppo di Parigi , Hahn e Strassmann si apprestano subito a verificare i risultati . Nella sua Nobel Lecture, (1946) Hahn , rispetto alle ipotesi chimiche su gusci di valenza variabili e altro , fatte dal gruppo di Parigi , afferma che “ le possibilità presentate da loro appaiono difficili da capire e inaccettabili“. La natura di elemento transuranico appare al gruppo di Berlino poco comprensibile . Da qui la spinta a rifare gli esperimenti. Dopo che i presunti   elementi transuranici , derivati dal bombardamento neutronico dell’Uranio , erano stati precipitati e rimossi , la soluzione conteneva ancora qualche prodotto radioattivo . Impiegano , nella separazione di quest’ultimi prodotti , diversi elementi carrier tra cui il Bario . La scelta di questo elemento non è casuale , infatti una delle ipotesi che fanno è la possibile presenza , tra i prodotti , di isotopi del Radio ( precede l’Attinio nella T.P.) . Il Bario è un elemento dello stesso gruppo del Radio , quindi idoneo a fare da carrier .

Alla fine del lungo lavoro di separazione concludono che l’attività dell’isotopo R 3,5h di Curie e Savitch era probabilmente un miscuglio di diversi elementi attivi e che quelli che seguivano il Bario , come carrier , nella precipitazione potevano essere soltanto isotopi del Radio .

Due chimici che escono dagli schemi

La presenza del Radio poteva essere dovuta ad una serie di decadimenti dell’Uranio che portavano all’ Attinio , passando da Torio e Radio .

E’ una ipotesi che presuppone l’emissione di due particelle α. L’emissione di due particelle α da parte di un atomo pesante con neutroni lenti era considerata tuttavia molto improbabile , se si pensa che nei numerosi esperimenti fatti con l’uranio non era stata mai osservata nemmeno una sola emissione α . E’ importante constatare come Hahn e Stassmann , raggiungono questo loro risultato “ liberandosi “ di due modelli fisici del nucleo : il primo riguarda la emissione di particelle α , l’altro la formazione di nuclei a numero atomico maggiore dell’Uranio . Continuano con i loro esperimenti e sono capaci di distinguere almeno quattro distinti isotopi del “ Radio “ prodotti artificialmente dall’Uranio . Per ottenere una verifica più accurata dei loro risultati procedono alla separazione per cristallizzazione frazionata dell’elemento carrier Bario dagli isotopi del “Radio “, in modo da ottenere strati più sottili di materiale , così che la loro attività poteva essere misurata più facilmente . Ma i tentativi per separare il ” Radio “ falliscono (Vedi schema sotto).

Esempio di sequenza delle operazioni con l’elemento Bario come carrier :

1) Bombardamento con neutroni 2) Solubilizzazione dei prodotti 3) Aggiunta dell’elemento carrier (Bario) 4) Precipitazione del “Radio” con Bario come carrier 5) Solubilizzazione 6) Il “ Radio” non si separa dal carrier con la cristallizzazione frazionata

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La perseveranza dei due chimici

Hahn e Strassmann pensano che la causa potesse dipendere dalle piccolissime quantità di isotopi del “Radio” presenti nel campione così continuano a indagare :

Abbiamo mescolato uno dei nostri isotopi, presunto “Radio “artificiale , con un isotopo naturale noto di radio e poi abbiamo cercato di separare la miscela dal bario con il frazionamento come prima. Gli esperimenti e i loro risultati sono stati piuttosto complicati, e non cercherò di descrivere qui in dettaglio. Ma i risultati sono stati abbastanza chiari. In ogni caso , in accordo con le misure di radioattività , la maggior parte del radium naturale , nella miscela , veniva separato , ma il “Radio” artificiale seguiva il Bario in toto . In breve , il nostro “ Radio “ artificiale non poteva essere separato dal Bario per la semplice ragione che era Bario ! “(8) .

A ulteriore conferma identificano un prodotto del decadimento β di uno degli isotopi artificiali del “Radio “ che risulta essere il Lantanio ( era stato trovato dal gruppo di Parigi !) , dimostrando che il parente da cui proviene non può che essere il Bario , che lo precede nella T.P. .

Non hanno dubbi sui risultati raggiunti , ma procedono con cautela :

I nostri tentennamenti derivavano principalmente dal fatto che, come chimici, abbiamo esitato ad annunciare una scoperta rivoluzionaria in fisica”(8).

Una bella prova sperimentale

C’è ancora una bella prova sperimentale definitiva e senza ambiguità che Hahn e Strassmann forniscono :

“Allo scopo di essere certi , abbiamo effettuato il così detto “ciclo” del Bario. Il più stabile degli isotopi attivi , ora identificato come Bario , fu liberato dai prodotti attivi del suo decadimento e altre impurità con la ricristallizzazione con Bario inattivo [ndr :carrier] ; un quarto della quantità totale fu conservata per il confronto e tre quarti vennero sottoposti alle seguenti precipitazioni nel ciclo del Bario :

Ba-chloride ® Ba-succinate ® Ba-nitrate ® Ba-carbonate ® Ba-ferrimannite ® Ba-chloride .

Dopo aver passato attraverso questa serie di composti , molti dei quali cristallizzati in modo magnifico , l’attività del cloruro di Bario risultante e la preparazione per il confronto erano misurati alternativamente usando lo stesso contatore, con uguale peso e spessore dello strato . L’iniziale attività e l’incremento , come risultato della ulteriore formazione del Lantanio attivo, erano gli stessi per entrambi i campioni , entro i limiti dell’errore : la cristallizzazione di così tanti e differenti sali non ha prodotto una separazione del Bario attivo dal carrier [ ndr : Bario inattivo ] . Si può solo concludere che il prodotto attivo e il carrier erano chimicamente identici cioè Bario “ (8).

Fu un lavoro quasi impossibile

Il nostro racconto termina qui con la scoperta del primo frammento della fissione nucleare , l’atomo di Bario . Ma quanti sono gli isotopi dei vari nuclei che si formavano negli esperimenti di fissione nucleare , che per quattro , cinque anni furono portati avanti prima da Fermi e poi , principalmente , dai gruppi di Parigi e di Berlino ? Hahn scrive nella Nobel Lecture, 1946 :

“ All’inizio del 1945 siamo stati capaci di fare una tabella nella quale erano raccolti , come prodotti diretti e indiretti della fissione dell’Uranio , venticinque differenti elementi sotto forma di circa cento tipi di atomi attivi ( n.d.r. : loro isotopi ). Gli atomi attivi , che abbiamo creduto fino al 1939 elementi transuranici , erano tutti prodotti di fissione o loro successivi prodotti , e non elementi con numero atomico più alto rispetto all’Uranio ! ” (8).

L’opinione di Lise Meitner

Lise Meitner , la fisica che dovette lasciare il gruppo di Berlino nella parte più critica del lavoro, continuò la collaborazione con Hahn e Strassmann , dando un contributo molto importante . Né lei , né Strassmann condivisero il premio Nobel con Hahn . Molti pensano che entrambi avrebbero dovuto ricevere il premio.

Tuttavia i suoi rapporti con Hahn rimasero sempre improntati a grande amicizia . Riporto l’opinione che espresse , anni dopo la scoperta della fissione , sul lavoro fatto dai due chimici :

“Otto Hahn e Fritz Strassmann furono in grado di scoprire la fissione nucleare perché usarono una chimica eccezionale , una chimica incredibilmente avanzata , che era molto più avanti di quanto fosse possibile in quel momento . Gli Stati Uniti appresero ad usarla molto più tardi . Però in quel momento , nel 1938 , Hahn e Strassmann erano gli unici che potevano farlo , perché erano ottimi chimici “

Conclusione

 Fu una impresa quasi impossibile riuscire , da quel paniere di atomi differenti o per numero atomico o per numero di neutroni, con attività diversa per ciascuno , che variava continuamente nel tempo e partendo da ipotesi fuorvianti , a scoprire il fenomeno della fissione nucleare .

(Nota del postmaster: altri post in cui si dicute questo argomento:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/08/04/era-bario-davvero/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/20/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-lise-meitner-1878-1968/)

 

Bibliografia completa

 

  1. The Nuclear Fission Table in the Deutsches Museum: A Special Piece of Science History on the Eve of World   War II , di Susanne Rehn-Taube
  2. La fisica e il suo divenire. Sull’esperienza storica della conoscenza fisica , di Fritz Krafft
  3. The detours leading to the discovery of nuclear fission, di Kurt Starke J.C.E. 1979 , Dic
  4. The Transuranium Elements   , Glenn T. J.C.E. Seaborg J.C.E , 1985
  5. Irena Curie et Paul Savitch. de Phys. et Rad., 1937 , 7 , 385
  6. Irene Curie et Paul Savitch , R., 1938 , 206 , 906
  7. Irene Curie et Paul Savitch , de Phys. et Radium ., 1938 , 9, 355
  8. From the natural transmutations of uranium to its artificial fission , Otto Hahn , Nobel Lecture,