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,

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

Roberto Poeti

 Un “tavolo particolare” al Deutsches Museum di Monaco di Baviera

Una visita al Deutsches Museum riserva tante sorprese nel campo della scienza e della tecnologia . Ma una in particolare lascia a bocca aperta. Nel settore “ Fisica “ del Museo , un vecchio tavolo di legno attira l’attenzione (Fig1). E’ ingombro di materiale elettrico come prese e interruttori in bachelite , vecchi condensatori , amplificatori , batterie , valvole ecc.. e una rete di fili che li collegano . Nel piano inferiore sono alloggiate una serie di batterie . Potrebbe essere il banco di un elettricista prima dell’avvento dei transistor , se non fosse per uno strano cilindro di colore giallognolo e di materiale translucido poggiato ad un lato del tavolo , sembra una torta (Fig 2). Cosa rappresenta il tavolo ? E’ l’originale attrezzatura che usò Otto Hahn, premio Nobel per la Chimica , che insieme a Lise Meitner and Fritz Strassmann scoprirono la fissione dell’uranio nel 1938 (Fig3).

Figura 1

Il piano del tavolo con l’attrezzatura e sotto il piano inferiore dove sono alloggiate le batterie . A destra , del tavolo , di fronte , accanto al quaderno degli appunti , due contatori Geiger e Muller .

Figura 2

Particolare del tavolo

Nell’angolo in alto a destra del tavolo il cilindro , simile ad una torta, è il cuore del sistema. E’ costituito da paraffina e al centro , in una incavatura , è contenuto la sorgente di neutroni costituita da Be/Ra. A lato , sempre immerso nella paraffina , si trova il campione di uranio.

Figura 3

A sinistra Fritz Strassmann (1902–1980), al centro Otto Hahn (1879–1968) che illustra gli strumenti del tavolo ( 1962)

Si ritiene che il tavolo e molti strumenti siano autentici , compreso il cilindro di paraffina . E’ fonte di stupore per i visitatori del museo vedere come la più grande scoperta del ventesimo secolo , la fissione nucleare , che ha segnato la nascita di una nuova era , possa essere contenuta in un tavolo di elettricista . Il tavolo è considerato “ il capolavoro “ della collezione del museo (1) . Va tuttavia precisato che il lavoro completo si svolgeva in tre distinti luoghi : in una stanza avveniva l’irradiazione del campione di uranio con la sorgente di neutroni , in una seconda stanza era allestito il laboratorio di Chimica e in una terza veniva misurata la radioattività dei prodotti . La scoperta della fissione dell’atomo venne attribuita ad Otto Hann , al quale fu conferito il premio Nobel nel 1944 . Una targa commemorativa sulla parete accanto al “ tavolo“ ricorda che la scoperta è condivisa con Lise Meitner e Fritz Straßmann , la prima un fisico e il secondo un chimico .

La percezione del ruolo della chimica

Il paradosso della scoperta della fissione è che , mentre ufficialmente il Nobel fu assegnato ad un chimico , non viene percepita a livello culturale come un obbiettivo raggiunto dalla Chimica . E forse non si conosce neppure in cosa consista il contributo dato dai chimici che vi lavorarono .

La beuta caudata con imbuto Buchner , che si vede accanto al blocco di paraffina nella figura 2 , è il solo richiamo ad una operazione chimica , messa come simbolo . Insomma il “tavolo “ è un oggetto fortemente evocativo , tuttavia non aiuta a comprendere il peso che vi ebbe la scienza chimica.

La Chimica fu fondamentale per Maria Curie

Nel suo libro “ La Fisica e il suo divenire “ Fritz Krafft , storico della scienza, titola un capitolo “ I chimici risolsero un problema fisico . Per una storia della scoperta della fissione nucleare “ (2) . Il titolo centra il nocciolo del problema : senza gli strumenti della Chimica non si sarebbe arrivati al traguardo . Non c’è stato gruppo di ricerca nella storia della radioattività che non abbia visto la partecipazione decisiva diretta o indiretta dei chimici , a partire dalle scoperte degli elementi Radio e Polonio da parte di Maria Curie. La stessa scienziata aveva seguito a Varsavia , prima di venire a Parigi , dei corsi non ufficiali di laboratorio di Chimica presso il Laboratorio del Museum of Industry and Agriculture . Ricordiamo che la Polonia era sotto la dominazione della Russia zarista e l’educazione scientifica era preclusa alle donne . Il direttore del museo, cugino di Maria Curie , era il chimico Josef Boguska, educato a San Pietroburgo sotto Dmitrij Mendeleev di cui era stato poi assistente : “ Sviluppai la mia passione per la ricerca sperimentale durante queste prime prove” , scriverà in seguito la scienziata .

Gustave Bemont , a sinistra della foto, con i coniugi Curie

Durante le sue ricerche sul Polonio e il Radio ebbe come collaboratore un chimico , presto passato in secondo piano , Gustave Bémont ( 1857 – 1937 ) professore all’ École de Physique et Chimie di Parigi. Nel primo numero della rivista Radium appare accanto ai coniugi Curie . L’altro chimico che collaborò con Maria Curie dopo la morte del marito è stato André Debierne (1874-1945) scopritore del l’Attinio . Ma vedremo, più avanti , come la presenza dei chimici si confermerà determinate anche nella scoperta della fissione nucleare .

La scoperta del Neutrone

 La scoperta del neutrone, avvenuta nel 1932 per opera di James Chadwick , determina la nascita di linee di ricerca volte a utilizzare le nuove particelle come proiettili per modificare gli atomi. In realtà già Rutherford nel 1919 , usando particelle α , aveva ottenuto la prima trasmutazione artificiale dell’atomo , a cui però sfuggivano gli atomi degli elementi più pesanti per la repulsione esercitata dalla loro grossa carica positiva sulle particelle α . Si deve a Fermi l’uso dei neutroni e la scoperta della loro efficacia se venivano fatti passare attraverso un mezzo che ne rallentasse la velocità . Da tali programmi si arriva  alla fine a scoprire la fissione nucleare ( 1938 ) .

I protagonisti della scoperta della Fissione Nucleare

 Alla scoperta in se parteciparono solamente tre gruppi di ricerca. Tutti gli altri gruppi di ricerca si erano prevalentemente accontentati della riproduzione e conferma dei risultati ottenuti in rapida sequenza dalle piccole équipes attive a Roma , Parigi e Berlino . Per poter arrivare a comprendere la fissione nucleare occorreva , oltre che alla padronanza dei metodi radio-chimici, una eccezionale abilità analitica e conoscenze chimico–analitiche notevoli , capaci di fornire la spinta decisiva . Il fatto che questi requisiti fossero ben presenti nel gruppo berlinese , specie nella persona di Fritz Strassmann, costituisce una delle ragioni del perché la scoperta poté essere fatta a Berlino e non a Roma o Parigi. In effetti al gruppo romano solo nel 1934 e per breve tempo appartenne un chimico , Oscar D’Agostino, che in precedenza si era familiarizzato a Parigi con i metodi radiochimici . Irène Curie , del laboratorio di Parigi , pur essendo anche lei una fisica , possedeva notevoli esperienze nel campo dei metodi radiochimici messi a punto dai suoi genitori e aveva lavorato nel 1937-38 con il fisico chimico Pavel Savič , tuttavia mancava di profonde conoscenze analitiche . La peculiare composizione però dell’équipe di Berlino , che comprendeva una fisica nucleare , Lise Meitner , un radio chimico , Otto Hann e un chimico analitico , Fritz Strassmann , costituì chiaramente un presupposto della scoperta , giacché garantiva la  «presenza » di tutte quelle conoscenze e abilità che si rivelarono più tardi necessarie .

Anni dopo Enrico Fermi dichiarava che ciò che gli era mancato per raggiungere l’obbiettivo della scoperta della fissione nucleare erano state le conoscenze e competenze dei chimici (3). Troppo tardi e per breve tempo aveva cercato di colmare il vuoto aggiungendo al gruppo un valido chimico come D’Agostino . Nel suo gruppo il rapporto chimici /fisici era di 1 a 5 , in quello di Berlino era 2 a 1 .

Gli ostacoli interni alla Chimica

Alle già complesse operazioni di laboratorio volte a separare e identificare i radio nuclidi derivanti dal bombardamento dell’uranio con neutroni lenti si opponevano grossi ostacoli di natura interna alle discipline di Chimica e Fisica . Per comprendere intanto quelle inerenti alla chimica è necessario tenere presente la tavola periodica come si presentava fino agli anni 1940 .

Allora si era convinti che le configurazioni basate su orbitali f fossero limitate ai solo lantanidi . Non era stato identificato alcun elemento più pesante dell’uranio e le proprietà degli elementi noti più pesanti (Ac , Th , Pa, U ) sembravano rassomigliare a quelle dei metalli di transizione di tipi d dei gruppi III b – VI b ( La , Hf ,Ta, W, Re ) della tavola periodica in modo sufficiente da permettere la classificazione in tali gruppi . Per comprendere quanto fosse radicata questa impostazione che, a parte l’introduzione dei gas nobili e lantanidi, aveva ancora l’impianto della tavola di Mendeleev del 1872 , c’è un episodio che ci racconta Glenn T. Seaborg ( Premio Nobel per la Chimica 1951 ) . Dopo aver dato alla tavola periodica un nuovo arrangiamento ( 1944 ) con l’introduzione della serie degli attinidi e quindi la collocazione corretta degli elementi transuranici , Seaborg decide di pubblicare la scoperta in Chemical and Engineering News . Ma prima mostra  l’articolo ai suoi colleghi :

« They said, “Don’t do it, you’ll ruin your scientific reputation.” I had a great advantage. I didn’t have any scientific reputation at that time, so I went ahead and published it. » (4).

Quanta inerzia culturale ci fosse nelI’ accettare la nuova tavola periodica , ancora nel 1961 , dopo sedici anni dalla scoperta degli Attinidi , lo dimostra La Grande Enciclopedia Italiana della U.T.E.T. , appena pubblicata, che conteneva la Tavola Periodica degli anni trenta ( Fig 4). E per finire , il primo libro di testo di Chimica del biennio, adottato dall’I.T.I.S. di Arezzo, alla sua nascita nel 1960 , proponeva sempre la Tavola Periodica degli anni trenta (Fig5).

Tavola periodica presente nel

Grande Dizionario Enciclopedico “ UTET

pubblicato nel 1961

Figura 4

Tavola periodica nel testo di Chimica per il biennio dell’I.T.I.S. di Arezzo del 1960

Figura 5

Gli ostacoli interni alla Fisica

Nel versante della fisica veniva negata la possibilità che bombardando nuclei pesanti , come l’Uranio , con neutroni vi fosse la possibilità di ottenere la frammentazione del nucleo . In tutti i processi nucleari , fino ad allora osservati sugli elementi più leggeri , il numero atomico era cambiato al massimo di due unità . La sola persona che sostenne la possibilità della frammentazione del nucleo di elementi pesanti fu la chimica e fisica Ida Noddack scopritrice del Renio . Il suo articolo del 1934 , nel quale sosteneva questo punto di vista , fu praticamente ignorato dai fisici nucleari . Poiché i prodotti ottenuti da Fermi , bombardando l’ Uranio , emettevano particelle beta ( non era stata osservata nessuna emissione alfa), lui e i suoi colleghi fecero l’ipotesi plausibile che la trasmutazione produceva isotopi di Uranio a vita breve , che poi, per decadimento β, davano origine a elementi con numero atomico superiore rispetto all’uranio, l’elemento 93 e forse anche 94 ( L’emissione di una particella β comporta l’aumento del numero atomico di una unità , mentre con l’emissione alfa il numero atomico decresce di due unità ) . In una serie di articoli pubblicati tra il 1935 il 1938 Fermi riportava la scoperta di elementi transuranici che venivano chiamati eka-renio , eka – osmio , eka – iridio e eka – platino ( numero atomico 93,94,95,96) .

Quando Fermi ricevette il Premio Nobel nel 1938 venne citato soprattutto per la scoperta degli elementi transuranici!. Rimaneva tuttavia non risolta l’identificazione chimica dei supposti elementi transuranici .

Una ricerca complessa

Mentre il gruppo di Fermi si disperdeva nel 1935 , continuava a Parigi e Berlino la ricerca degli elementi transuranici . Le notevoli difficoltà analitiche che si incontravano nella separazione e identificazione dei radionuclidi provenienti dal bombardamento dell’Uranio con neutroni erano amplificate dalla ipotesi che si ottenessero solo prodotti transuranici . Il bombardamento dell’Uranio produceva una quantità rilevante di differenti radionuclidi e loro isotopi , spesso con rapido decadimento . Le minime quantità che si ottenevano erano rilevabili solo con metodi radiochimici , misurandone la loro attività specifica . L’elemento naturale Uranio , che veniva utilizzato, doveva essere da prima separato dai prodotti della sua stessa radioattività , in particolare un isotopo del Torio . Un operazione complessa senza la quale si sarebbero avute interferenze quando veniva misurata la radioattività dei prodotti ottenuti con il bombardamento neutronico . La separazione e identificazione di questi radionuclidi , ottenuti poi in soluzione , era il vero scoglio da affrontare. Ma quale era il criterio principale di separazione e identificazione su cui si faceva affidamento?.

L’ uso degli elementi Carrier nella separazione dei radionuclidi

Poiché i radioisotopi erano presenti spesso in tracce , per poterli separare , si procedeva con metodi che non potevano essere equiparati con le ordinarie separazioni di quantità pesabili degli elementi stabili. Le tracce di radioisotopi di differenti elementi , spesso con decadimento rapido , potevano essere separati gli uni dagli altri e precipitati con l’aiuto di un elemento carrier . Se in chimica analitica la coprecipitazione è quasi sempre indesiderabile, nell’analisi di tracce di elementi , come in radiochimica , era spesso il solo mezzo di separazione di un elemento. Si doveva scegliere come carrier un metallo che si riteneva potesse essere vicino , nel gruppo o nel periodo , al radionuclide da isolare, avente perciò la stessa carica e solo una piccola differenza nel raggio ionico di quest’ultimo . In questo modo gli ioni del radionuclide avrebbe occupato , sotto forma di inclusione , i siti nella struttura cristallina del composto del carrier , quando questi precipitava dalla soluzione . Ma ci voleva un radiochimico di grande esperienza per distinguere tra un precipitato , sul quale i pochi ioni radioattivi erano assorbiti sulla superfice del cristallo in modo aspecifico , e quello nel quale essi erano parte della struttura cristallina . Solo con la coprecipitazione per inclusione si avevano importanti informazioni sul numero atomico del radionuclide , conoscendo quello dell’elemento usato come carrier . Il passo successivo era quello di separare il radionuclide dal metallo carrier, sfruttando piccole differenze nella solubilità dei loro sali , mediante cristallizzazione frazionata , un processo che richiedeva molto tempo (4) . La scelta dei carrier , nella nostra storia , venne fatta supponendo di ottenere elementi transuranici nel bombardamento dell’uranio e che questi fossero inquadrati nella tavola periodica come elementi di transizione sotto Renio , Osmio , Iridio , Platino . I metalli usati come carrier erano perciò scelti tra questi , e precipitati prevalentemente come solfuri. La coprecipitazione che si otteneva era però aspecifica , spesso per adsorbimento , perché si partiva dalla errata convinzione che si formassero elementi transuranici . Si ottenevano così informazioni fuorvianti sulla identità dei radionuclidi . Questo comportò un lavoro infruttuoso per molto tempo che servì , malgrado tutto , a migliorare le tecniche radiochimiche e analitiche.

( continua nella seconda parte )

Nota del blogmanager: sul medesimo argomento il blog ha pubblicato altri articoli fra cui:

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/

Bibliografia

  1. The Nuclear Fission Table in the Deutsches Museum: A Special Piece of Science History on the Eve of World   War

               War II , di Susanne Rehn-Taube

  1. La fisica e il suo divenire. Sull’esperienza storica della conoscenza fisica , di Fritz Krafft
  2. The detours leading to the discovery of nuclear fission, di Kurt Starke J.C.E. 1979 , Dic
  3. The Transuranium Elements   , Glenn T. J.C.E. Seaborg J.C.E , 1985

Scienziate che avrebbero dovuto vincere il Premio Nobel: Lise Meitner (1878-1968)

Rinaldo Cervellati.

Lise Meitner: a physicist who never lost her humanity

Otto Robert Frisch

 

Elise (poi Lise) Meitner nasce a Vienna il 7 novembre 1878, terza di otto figli, da una famiglia ebraica di classe medio – alta. Tuttavia il padre, noto avvocato, era un libero pensatore e quindi la religione ebraico – giudaica non influenzò l’educazione dei figli. Fin dall’età di otto anni Elise mostrò uno spiccato interesse per le scienze, con una particolare predisposizione per la fisica e la matematica. Condusse propri esperimenti sui colori, su film sottili e sulla riflessione della luce. Purtroppo a quei tempi alle donne non era concesso frequentare istituti pubblici di educazione superiore, dovette quindi prendere un diploma di lingua francese e diventare insegnante di quella materia (l’unica professione per cui non era richiesta una preparazione universitaria). Nel frattempo si preparava privatamente per l’esame di maturità che era stato finalmente concesso anche alle donne. Nel 1901 superò l’esame, una delle quattro su 14 candidate a farcela. All’università di Vienna seguì i corsi di fisica, matematica, chimica e botanica, decidendo comunque che sarebbe diventata fisico. Anche il periodo da studentessa non fu facile, il suo biografo e nipote, Otto Robert Frisch[1], dice che dovette subire sgarbi da parte dei suoi colleghi uomini (a quei tempi una studentessa donna era considerata un fenomeno da circo) ma ricevette anche incoraggiamenti da parte dei professori [1]. Seguì le lezioni di Ludwig Boltzmann per il quale conservò sempre una grande ammirazione. Nel 1905 ottenne il dottorato in fisica, la seconda donna a raggiungere questo traguardo in Austria. A Vienna cominciò il suo interesse per la radioattività: nel 1905 non era ancora stato provato che le particelle α potessero essere deflesse passando attraverso la materia, Meitner progettò e realizzò uno dei primi esperimenti che dimostravano inequivocabilmente che alcune deflessioni avvenivano. Gli esperimenti mostravano che le deflessioni aumentavano all’aumentare del peso atomico dell’elemento attraverso cui le particelle venivano fatte passare [2]. Tuttavia non aveva ancora intenzione di specializzarsi in questo campo, che diventerà poi il suo principale interesse di ricerca. Da notare che esperimenti simili a questi e l’analisi statistica delle deflessioni condussero Ernest Rutherford alla scoperta del nucleo atomico (1911).

Lise Meitner nel 1906

Nel 1907 si reca a Berlino ma ha difficoltà a trovare lavoro come ricercatrice. Segue le lezioni di Max Planck all’università e incontra un giovane chimico, Otto Hahn, il quale stava cercando un fisico che lo aiutasse a interpretare i risultati dei suoi esperimenti sulla radioattività. Poiché Emil Fischer, direttore dell’Istituto di Chimica, non accettava donne nei laboratori dell’Istituto (era la legge), Otto e Lisa effettuarono i loro primi lavori in una carpenteria adattata a laboratorio per misure di radioattività. Fortunatamente, due anni dopo fu concesso e regolarizzato l’accesso delle donne all’università, Fischer tolse il divieto e i due poterono continuare le ricerche in un ambiente più favorevole e col sostegno dello stesso Fischer.

Per Hahn, chimico, la parte più avvincente della ricerca era la possibile scoperta di nuovi elementi e delle loro proprietà, Meitner, fisico, era più interessata alla caratterizzazione energetica delle particelle radioattive. Nel 1909 Meitner pubblica due lavori sull’energia della radiazione β.

Inoltre, insieme a Otto Hahn, ha scoperto e sviluppato un metodo fisico di separazione conosciuto come radioactive recoil, in cui i nuclei emettenti figli sono forzatamente espulsi dalla matrice nel momento del loro decadimento. In questo modo scoprirono la formazione di nuovi isotopi.

Nel 1912 il gruppo Hahn-Meitner si trasferì nella nuova sede del Kaiser Wilhelm Institute, dove Lise lavorò come ricercatore-visitatore nel dipartimento di Radiochimica diretto da Hahn, senza stipendio fino all’anno successivo quando ottenne un posto fisso all’Istituto dopo aver ricevuto l’offerta per professore associato all’Università di Praga.

Lise Meitner e Otto Hahn

Nella prima parte della Ia guerra mondiale, Meitner servì come infermiera addetta agli apparecchi a raggi X. Ritornò a Berlino e alla sua ricerca nel 1916, ma non senza lotta interiore. Sentiva una certa vergogna per voler continuare i suoi sforzi di ricerca quando pensava al dolore e alla sofferenza delle vittime della guerra e delle loro esigenze mediche ed emotive.

Nel 1917 Meitner e Hahn scoprirono il primo isotopo radioattivo a vita lunga dell’elemento protoattinio, per questo Meitner fu insignita della Medaglia Leibniz dall’Accademia Berlinese delle Scienze.

Nel 1926, Meitner divenne la prima donna in Germania a ottenere una cattedra di fisica all’Università di Berlino. Nel 1935, come direttore del dipartimento di fisica del Kaiser Wilhelm Institute di Berlino-Dahlem, insieme a Otto Hahn, divenuto direttore dell’Istituto, intraprese il cosiddetto “progetto transuranio” che portò alla scoperta inaspettata della fissione nucleare.

La scoperta del neutrone da parte di James Chadwick (1932) fu favorita anche dal fatto che Meitner gli fornì una piccola quantità di polonio (un emettitore α) più confacente del radio (emettitore α, β e γ) per gli esperimenti che aveva in mente. Con la scoperta del neutrone si aprirono nuove possibilità per l’esplorazione del nucleo atomico: come ho scritto nel precedente post, il gruppo di Fermi all’università di Roma, bombardando un composto di uranio con un fascio di neutroni suppose di aver prodotto i due elementi successivi, il 93 e il 94 (1934). Ignorando le critiche e le ipotesi di Ida Noddack, i fisici diedero credito alle conclusioni di Fermi, Meitner compresa [3].

Nel frattempo le leggi razziali naziste del 1934 costrinsero parecchi scienziati tedeschi di origine ebraica, fra cui Leo Szilard, Fritz Haber, Otto Frisch (nipote di Meitner) e molti altri ad abbandonare le loro cattedre e le loro ricerche cercando riparo all’estero.

Otto Frisch

Meitner, protetta dalla sua cittadinanza austriaca continuò le sue ricerche con Hahn a Berlino fino al 1938, quando con l’Anschluss l’Austria divenne parte della Germania. Meitner riuscì fortunosamente a raggiungere la Danimarca e infine la neutrale Svezia grazie anche all’aiuto di Niels Bohr e del nipote Otto Frisch. A Stoccolma si ricongiunse a Otto Frisch. Continuò comunque a corrispondere regolarmente con Hahn e altri scienziati tedeschi.

In occasione di una conferenza di Hahn nell’Istituto di Fisica di Copenhagen, Hahn, Bohr, Meitner e Frisch si incontrarono il 10 novembre 1938. Successivamente continuarono a scambiarsi una serie di lettere. Nel mese di dicembre Hahn e il suo assistente Fritz Strassmann[2] eseguirono nel loro laboratorio di Berlino i difficili esperimenti che provavano la realtà della “rottura” del nucleo di uranio bombardato da neutroni in bario (e krypton).

Apparecchiatura per lo studi della fissione (Museo di Monaco)

La corrispondenza con Meitner mostra che Hahn riconosceva che la “rottura” era l’unica spiegazione per la presenza del bario (in un primo momento chiamò il processo uno “scoppio” dell’uranio), ma era sconcertato da questa incredibile conclusione. Tuttavia i due inviarono, contemporaneamente alla lettera, una prima nota alla rivista Naturwissenschaften [4]. Di ciò non furono informati neppure i fisici del dipartimento dell’Istituto.

In questa nota essi sostengono, seppure fra molti dubbi e perplessità, di aver ottenuto prima del polonio e poi del radio e del bario dal bombardamento dell’uranio con neutroni, tuttavia le analisi chimiche li facevano propendere per la seconda ipotesi. Nel gennaio 1939, dopo aver ripetuto gli esperimenti, i due chimici inviarono un secondo e più dettagliato articolo alla stessa rivista confermando la presenza di metalli alcalini nei prodotti dell’uranio bombardato con neutroni lenti [5].

In febbraio 1939 in un successivo articolo Hahn e Strassman pubblicano la prova certa della formazione di frammenti di bario dalla rottura dell’uranio e introducono il termine “fissione nucleare” per il fenomeno [6].

Meitner e Frisch, che Hahn teneva costantemente informati dei progressi, furono dunque i primi a proporre un’interpretazione teorica, in base al “modello a goccia” di Bohr, su come il nucleo di uranio potesse essere diviso in parti più piccole: i nuclei dell’uranio si dividevano per formare bario e krypton, accompagnati dall’eliminazione di neutroni e da un’enorme quantità di energia. I neutroni emessi andavano quindi a colpire altri nuclei di uranio provocando così una reazione a catena. Pubblicarono questa interpretazione nello stesso febbraio 1939 [7]. Successivamente fu provato che questa enorme energia corrispondeva alla perdita di massa in base all’equazione di Einstein E = mc2.

Allo stesso modo essi interpretano le loro precedenti osservazioni sulle radiazioni emesse dal torio come la fissione dei nuclei di torio negli isotopi del bario e del krypton.

Questa interpretazione insieme a un metodo per “raccogliere” prodotti della fissione fu ripresa da Frisch in una successivamente nota su Nature [8].

Probabilmente il calcolo della corrispondenza difetto di massa-energia fu suggerito da Bohr il quale fece notare che la quantità di energia sviluppata era molto maggiore di quanto si calcolava per un fenomeno non fissile. Ma i fisici Meitner e Frisch erano convinti che la chimica fosse la sola responsabile del fenomeno e Hahn, chimico, era riluttante a spiegare la fissione in corretti termini fisici[3].

Nel 1945 il Premio Nobel per la Chimica 1944 fu assegnato al solo Otto Hahn con la motivazione: “per la sua scoperta della fissione di nuclei atomici pesanti”. Nella sua Nobel lecture Hahn non nominò i contributi di Strassman, Meitner e Frisch.

In realtà, sia lui sia Meitner erano stati candidati al Nobel per la chimica o per la fisica diverse volte prima della scoperta della fissione nucleare, ma nel 1945 il Comitato che scelse il Premio Nobel in Chimica decise di assegnare il premio 1944 esclusivamente a Hahn. Negli anni Novanta, i documenti a lungo secretati dei lavori del Comitato Nobel divennero pubblici e la storica Ruth Lewin Sime[4] ne approfittò per riconsiderare l’esclusione di Meitner. In un articolo del 1997 su Physics Today [9], Sime e i suoi colleghi Elisabeth Crawford e Mark Walker scrissero:

Sembra che Lise Meitner non abbia condiviso il premio del 1944 perché la struttura dei comitati Nobel non era adatta a valutare le competenze interdisciplinari, i membri del comitato svedese per la chimica non furono in grado o non vollero giudicare il suo contributo in modo equo, e anche a causa delle loro competenze limitate. L’esclusione di Meitner dal premio può essere riassunta come una miscela di pregiudizi disciplinari, ottusità politica, ignoranza e fretta. [9]

Meitner rimpianse di essere rimasta in Germania dal 1933 al 1938 e fu amaramente critica con gli scienziati che continuarono a lavorare per il terzo Reich. In una bozza di lettera del 1945 indirizzata a Hahn, scrive:

Avete lavorato per la Germania nazista. E vi siete limitati solo a una resistenza passiva. Certo, per essere in pace con la vostra coscienza avete aiutato qua e là una persona perseguitata, ma milioni di esseri umani innocenti sono stati assassinati senza che venisse fatta alcuna protesta … [si dice che] prima avete tradito i vostri amici, poi i vostri figli perché avete lasciato che la loro vita fosse trascinata in una guerra criminale – e infine che avete tradito la Germania stessa, perché quando la guerra era già senza speranza, non vi siete mai rivoltati contro la distruzione senza senso della Germania.[10]

Hahn non ricevette mai questa lettera.

Meitner non fece alcuna recriminazione per il mancato Nobel e rimase comunque affezionata a Hahn, nel 1959 tornò in Germania per partecipare alla celebrazione dell’80mo anniversario del compleanno di Hahn, insieme alla famiglia di lui.

In Svezia, Meitner continuò a essere attiva presso l’Istituto Nobel per la fisica, presso l’Istituto Nazionale di Ricerche Nazionali per la Difesa (FOA) e il Royal Institute of Technology di Stoccolma, dove ha avuto un laboratorio e ha partecipato alla ricerca su R1, il primo reattore nucleare svedese. Fino dal 1947, fu creata una cattedra personale per lei presso l’Università di Stoccolma con lo stipendio di professore e un finanziamento del Consiglio per la Ricerca Atomica.

Ebbe molti premi e onorificenze, sia in vita sia dopo. Nel 1966 le fu assegnata insieme a Otto Frisch, la medaglia Fermi dalla Commissione USA per l’Energia Atomica, ma la salute ormai compromessa dall’aterosclerosi le impedì di andare a Washington per ritirarlo personalmente. Dal 1960 si era trasferita in Inghilterra da alcuni parenti. Morì nel 1968 all’età di 89 anni.

Bibliografia

[1] O.R. Frisch, Lise Meitner, 1878-1968, Biogr. Mems Fell. R. Soc., 1970, 16, 405-420 http://rsbm.royalsocietypublishing.org/content/roybiogmem/16/405.full.pdf

[2] L. Meitner, Uber die Zerstreuung der α-Strahlen. (About the dispersion of the α-rays.) Phys. Zeit., 1907, 8(15), 489-491.

[3] O. Hahn, L. Meitner, Über die künstliche Umwandlung des Urans durch Neutronen (Sulla trasformazione artificiale dell’uranio da parte di neutroni), Naturwissenschaften, 1935, 23, 37-38.

[4] O. Hahn, F. Strassmann, Über die Entstehung von Radioisotopen aus Uran durch Bestrahlen mit schnellen und verlagsamten Neutronen, (About the formation of radioisotopes from uranium by irradiation with fast and verlagsamten neutrons) in German, Naturwissenschaften, 1938, 26, 755-756.

[5] O. Hahn, F. Strassman, Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle, Naturwissenschaften, 1939, 27, 11-15 (gennaio 1939), Trad. Ingl. Concerning the Existence of Alkaline Earth Metals Resulting from Neutron Irradiation of Uranium, in: American Journal of Physics, January 1964, p. 9-15. https://www.chemteam.info/Chem-History/Hahn-fission-1939b/Hahn-Fission-1939b.html

[6] O. Hahn, F. Strassman, Nachweis der Entstehung activer Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchtucke bei der Uranspaltung, Naturwissenschsften, 1939, 27, 89-95 (febbraio 1939). Trad. Ingl. Proof of the Formation of Active Isotopes of Barium from Uranium and Thorium Irradiated with Neutrons; Proof of the Existence of More Active Fragments Produced by Uranium Fission, in: J. Chem. Educ., May 1989, p. 363-363 https://www.chemteam.info/Chem-History/Hahn-fission-1939b/Hahn-Fission-1939b.html

[7] L. Meitner, O. Frisch, Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction, Nature, 1939, 143(3615), 239-240.

[8] O. Frisch, Physical Evidence for the division of Heavy Nuclei under Neutrons Bombardment, Nature, Supplement, 18 Feb. 1939, 276.

[9] E. Crawford, R.L. Sime, M. Walker, A Nobel Tale of Postwar Injustice, Physics Today1997, 50, 26–32.

[10 ] cit in: John Cornwell, Hitler’s Scientists: science, war and the devil’s pact, Viking, New York,

2002, p.411.

[1] Otto Robert Frisch (1904-1979) fisico austriaco, dopo l’ascesa di Hitler al cancellierato nel 1933 decise di spostarsi in Inghilterra, a Londra, nello staff del Birbeck College lavorando sulla radioattività e sviluppando la tecnologia delle camere a nebbia. Per cinque anni fu all’Istituto di Fisica di Copenhagen con Niels Bohr, dove si specializzò in fisica nucleare e dei neutroni. Insieme alla zia, Lise Meitner, fornì l’interpretazione della fissione nucleare. Nel 1943, naturalizzato britannico, si recò negli USA, dove partecipò al Progetto Manhattan. Nel 1946 tornò in Inghilterra come professore di Filosofia Naturale a Cambridge.

[2] Fritz Strassmann (1902-1980), chimico tedesco, nel 1933 si dimise dalla Società Chimica Tedesca che stava diventando parte di una corporazione pubblica controllata dal partito nazista e fu inserito nella lista nera. Meitner e Hahn gli trovarono un posto di assistente a mezzo stipendio al Kaiser Wilhelm Institute. La sua esperienza in chimica analitica fu di fondamentale importanza nell’individuazione dei prodotti della fissione nucleare. Durante il periodo nazista, insieme alla moglie nascosero nella propria casa diversi amici ebrei, mettendo a rischio le proprie vite e quella del figlioletto di tre anni. Nel 1948 divenne direttore del Max Planck Institute per la Chimica. Nominato “Giusto fra le Nazioni” dallo stato ebraico nel 1985.

[3] In un’intervista rilasciata nel 1953 alla radio della RFT, Meitner affermò:

Otto Hahn e Fritz Strassmann erano in grado di farlo [fissione nucleare] con una chimica eccezionalmente buona, una chimica fantastica… . a quel tempo, Hahn e Strassmann erano davvero gli unici a poterlo fare. E questo era perché erano chimici molto bravi. In qualche modo sono veramente riusciti a usare la chimica per dimostrare un processo fisico.                                                                                                    

Nella stessa intervista Strassman però sostiene:

Meitner ha affermato che il successo potrebbe essere attribuito alla chimica. Devo fare una piccola correzione. La chimica semplicemente isolava le singole sostanze, non le identificava esattamente. Ciò è dovuto al metodo del professor Hahn. Questo è il suo successo.

Queste frasi sono riportate in wikipedia (english): https://en.wikipedia.org/wiki/Lise_Meitner

[4] Ruth Lewin Sime (1939), americana è professore emerito di chimica fisica dell’Università di Sacramento. Esperta in storia della scienza è autrice di una dettagliata biografia di Lise Meitner: “Lise Meitner: A life in Physics”, University of California Press, 1996. Il primo capitolo si può scaricare al link: http://www.washingtonpost.com/wp-srv/style/longterm/books/chap1/lisemeitner.htm