Di radioattività, modelli atomici e di uno scienziato siciliano

Filippo Re Capriata

I due decenni a cavallo del 1900 furono un periodo fondamentale per la ricerca sulla natura dell’atomo. Che esso fosse dotato di una qualche forma di struttura interna era oramai un fatto che le evidenze sperimentali confermavano ogni giorno di più: restava ancora da trovare come assemblare i pezzi del rompicapo in modo da formare una figura significativa e coerente. In particolar modo bisognava rendere conto di questi fatti:

La presenza degli elettroni. Gli esperimenti intrapresi da J. J. Thomson con i raggi catodici nel 1897 avevano dimostrato definitivamente che gli atomi contenevano “corpuscoli” con carica negativa, che oggi chiamiamo elettroni. Qualsiasi modello atomico avrebbe dovuto includere non solo gli elettroni, ma una quantità uguale di carica positiva in modo da rendere l’atomo elettricamente neutro.

La tavola periodica. Sviluppata nel 1869 da Dimitri I. Mendeleev, la tavola periodica ordinava gli elementi chimici tenendo conto della loro massa crescente e li sistemava in colonne a secondo delle loro proprietà chimiche. Questa struttura regolare suggeriva che gli elementi erano a loro volta costituiti da qualcosa di più piccolo e fondamentale, il cui assetto era necessario conoscere.

La formula di Balmer e di Rydberg. Nel 1814 Joseph von Fraunhofer aveva inventato lo spettroscopio, un apparecchio capace di “analizzare” i colori della luce. Osservando lo spettro della luce solare, egli osservò linee scure isolate che ne interrompevano la continuità in corrispondenza di determinate frequenze. Più tardi si comprese che tali righe nere erano dovute all’assorbimento della luce solare da parte degli atomi. Nel 1885 Johann Balmer aveva determinato una formula empirica che ben si adattava alle righe spettrali dell’idrogeno e, tre anni più tardi, Johannes Rydberg aveva esteso la formula in modo da poterla utilizzare anche per giustificare le righe spettrali di altri elementi. Alla fine dell’Ottocento le due formule erano ancora prive di interpretazione e si sapeva dunque il “come” ma non il “perché”. In ogni caso si sapeva che ogni teoria della struttura atomica avrebbe dovuto spiegarle.

Henri Becquerel

La radioattività – Ultima scoperta in ordine di tempo, consisteva nel fatto che certi atomi pesanti potevano rilasciare un’insolita radiazione di natura precedentemente sconosciuta. Il fenomeno della radioattività era stato scoperto casualmente nel marzo 1896 dal francese Henri Becquerel, che aveva notato che delle lastre fotografiche erano annerite dalla presenza di uranio. Era evidente che l’uranio emetteva una nuova forma di radiazione diversa dai raggi X e da altri tipi di onde dello spettro elettromagnetico che si stavano studiando in quei mesi. Becquerel sapeva infatti che i fenomeni della fluorescenza e della fosforescenza, di cui si stava occupando, presentavano molte somiglianze tra di loro e con i raggi X, ma anche alcune differenze fondamentali. Mentre la fluorescenza e i raggi X si fermavano quando la fonte d’energia, di solito la luce solare o l’elettricità, era rimossa, la fosforescenza continuava a essere presente ancora per qualche tempo. In tutti i tre casi, tuttavia, l’energia derivava da una sorgente esterna. In questo caso, invece, non c’era alcuna causa esterna: le lastre fotografiche erano state messe al riparo dalla luce solare e, assieme ai cristalli di uranio, erano state riposte casualmente insieme al buio in un cassetto. Nonostante ciò, l’uranio aveva prodotto radiazioni che avevano annerito le lastre traendo energia dal proprio interno.

La radiografia della mano
di Anne Roentgen

La prima osservazione di Becquerel non ricevette grande attenzione, perché oscurata dall’interesse suscitato dai raggi X, i “raggi misteriosi”che erano stati scoperti da Wilhelm Conrad Roentgen, il quale nel dicembre precedente era riuscito a ottenere la prima spettacolare immagine delle ossa della mano di sua moglie convogliando un fascio di elettroni in un tubo catodico. Becquerel non diede seguito personalmente a queste prime scoperte, ma lo fecero, nel suo stesso laboratorio, Maria Skłodowska e suo marito, Pierre Curie, che avrebbero dedicato tutta la loro vita allo studio delle proprietà delle sostanze radioattive.

I Curie iniziarono a ricercare altri elementi che presentassero lo stesso comportamento dell’uranio e scoprirono nel 1898 che anche il torio era radioattivo. Marie Curie si accorse che diversi campioni dei minerali di uranio presentavano gradi di diversi di radioattività, intuendo che essi potessero contenere un nuovo elemento radioattivo nascosto all’interno. I due isolarono dapprima un elemento che chiamarono polonio in omaggio alla patria di origine della donna. Finalmente, nel 1902, riuscirono ad isolare piccoli campioni di un nuovo elemento, assai più radioattivo dell’uranio, che chiamarono radio. Questo nuovo elemento catturò l’attenzione della comunità scientifica. Esso era non solo milioni di volte più attivo dell’uranio, ma irraggiava calore mantenendo la sua temperatura anche quando si tentava di raffreddarlo, violando così apparentemente il principio di conservazione dell’energia. Ancor più inattesa era la sua proprietà di indurre una radioattività secondaria nei materiali inerti posti nelle sue vicinanze. Da dove proveniva l’energia rilasciata dal radio se non dal suo interno? E come si conciliavano queste scoperte con le numerose ipotesi che in quegli anni si facevano sulla struttura dell’atomo? Una descrizione completa dell’atomo avrebbe dovuto insomma spiegare perché certi atomi erano radioattivi e certi non lo erano.

I Curie nel loro laboratorio, primi anni del '900

A History of Science - Vol. V

Lo stato dell’arte della ricerca sulla radioattività nei primi anni del nuovo secolo è ben descritto in un’opera coeva di alta divulgazione che è possibile consultare e scaricare online. Si tratta del quinto ed ultimo volume (Aspects of recent science) di A History of Science di Henry Smith Williams, pubblicato nel 1904 da Harpers & Brothers, London and New York. Nel testo il problema del rapporto tra radioattività e struttura dell’atomo viene presentato nel paragrafo omonimo alle pagine 108–112: “Qualunque sia la sorgente dell’energia mostrata dalle sostanze radioattive, si conviene generalmente che la radioattività dei radio–elementi derivi dalla distruzione dei loro atomi. (…) l’evidenza recente sembra indicare che la causa della distruzione degli atomi radioattivi risieda negli atomi stessi. Questa idea concorda con le idee moderne sull’instabilità di certi atomi”.



“Varie ipotesi sono state avanzate per giustificare l’instabilità dell’atomo”. Secondo quella di J.J. Thompson, “l’atomo può essere considerato una massa di particelle cariche positivamente e negativamente, tutte in rapido movimento, tenute in equilibrio dalle loro reciproche forze. Nel caso di una struttura molto complessa di questo tipo, e possibile pensare che certe particelle acquistino sufficiente energia cinetica per essere lanciate fuori dal sistema (…) La causa primaria della disintegrazione dell’atomo può essere dovuta alla radiazione elettromagnetica, che causa una perdita di energia del sistema dell’atomo”. Le interazioni di natura elettrica erano invocate anche da Oliver Lodge, che suggeriva “che l’instabilità dell’atomo può essere il risultato della radiazione di energia dall’atomo stesso. (…) La rapidità della radiazione di energia aumenta rapidamente con la velocità dell’elettrone”. Quando la velocità dell’elettrone diventa vicina a quella della luce, secondo Lodge, il sistema è instabile. “È stato evidenziato che la massa apparente di un elettrone aumenta molto rapidamente man mano che si avvicina la velocità della luce, e diventa teoricamente infinita alla velocità della luce. Ci sarà in questa fase un improvviso aumento della massa dell’atomo rotante e, nell’ipotesi che questa fase sia raggiunta, un conseguente disturbo dell’equilibrio di forze che tiene unito il sistema”. Lodge considerava probabile che in queste condizioni le parti del sistema si rompessero sfuggendo l’una dalla sfera d’influenza dell’altra. “È probabile”, sosteneva anche Ernest Rutherford, “che la causa primaria della disintegrazione dell’atomo debba essere cercata nella perdita di energia del sistema atomico dovuta alla radiazione elettromagnetica”. Il calore emesso dal radio era giustificato dal fatto che “in questo processo di distruzione molte delle particelle sono liberate, ma la maggior parte sembra essere fermata nel suo volo nel radio stesso, così che la loro energia di movimento si manifesta sotto forma di calore. Pertanto, se questa spiegazione è corretta, la temperatura del radio è mantenuta al di sopra di quella delle circostanti sostanze dal bombardamento delle sue stesse particelle”.

Come si vede, le idee sulla natura della radioattività erano ancora confuse e assai approssimative, persino quelle espresse da grandi fisici come quelli citati. D’altro canto era ignota non solo l’energia presente nel nucleo atomico, ma l’esistenza stessa di un nucleo. Le insolite proprietà del radio stupirono la comunità scientifica, inducendo alcuni a sopravvalutarne il potere energetico, che sembrava poter addirittura rivaleggiare con quello del Sole o giustificare la stessa attività energetica della nostra stella.

Così ad esempio ragionava l’astronomo irlandese William Edward Wilson (1851-1908) in una lettera che scrisse a Nature e che fu pubblicata sul numero del 9 luglio 1903 della rivista (vol. 68, p. 222):

William Wilson

Il radio e l’energia solare

La straordinaria scoperta che il radio ha la proprietà di irraggiare continuamente calore senza raffreddarsi alla temperatura degli oggetti circostanti può forse fornire un’indicazione sulla sorgente d’energia nel sole e nelle stelle.

Considerando l’osservazione dei Curie che un grammo di radio può fornire 100 calorie per ora, ho pensato che sarebbe stato interessante calcolare quanto radio basterebbe per fornire l’energia in uscita dal sole.

Considerando dalle osservazioni di Langley che questa è uguale a 828 milioni di calorie per centimetro quadrato per ora, ho calcolato che 3,6 grammi di radio per metro cubo del volume del sole potrebbero fornire l’intero output.

Potrebbe essere possibile che, alla temperatura del sole, il radio sia capace di una radiazione ancor più energetica e, se così, i 3,6 grammi si ridurrebbero a una quantità molto inferiore.

I semplici calcoli di Wilson erano basati sull’idea completamente errata che l’energia del sole derivasse dal radio. Ma quest’idea costituiva un passo nella giusta direzione, perché l’energia del sole è collegata al fenomeno della radioattività. Naturalmente i concetti di fissione e fusione nucleare erano ancora lontani dall’essere scoperti, ma Wilson fu il primo a mettere in relazione il fenomeno recentemente scoperto con la straordinaria fonte dell’energia irradiata dal sole e dalle altre stelle. La scienza funziona anche così: una spiegazione del tutto sbagliata può essere il primo passo nel cammino verso quella corretta.

Il volume con l'articolo di Filippo Re Capriata

Di radioattività e piccoli soli si occupò anche un oscuro scienziato siciliano, che meriterebbe maggiore considerazione di quella ricevuta finora. Si tratta di Filippo Re Capriata, nato a Licata nel 1867 e morto a soli quarantuno anni durante il terremoto di Messina del 28 dicembre 1908. Re Capriata era giunto a Messina nel 1901 come insegnante di fisica nella scuola tecnica della città, ma si era meritato con i suoi studi in vari campi la cattedra nella locale università. Nel 1903 aveva anticipato in qualche modo la televisione, come risulterebbe dalla lettera da lui inviata alla rivista parigina L´eclairage électrique, nella quale spiegava come fosse riuscito con un apparecchio che sfruttava le proprietà del selenio a trasmettere immagini a distanza.

Sempre nel 1903, Re Capriata pubblicò sui Comptes rendus des séances de l’Académie des Sciences (Tomo 136, gennaio-giugno 1903, pp. 1893-1895) un articolo che era stato presentato da Henri Becquerel nella seduta di tale consesso dell’8 giugno. L’articolo si intitolava Hypothèse sur la nature des corps radioactifs e qui ne presento il testo in traduzione italiana :

RADIOATTIVITA’. – Ipotesi sulla natura dei corpi radioattivi.

Nota del sig. Filippo Re, presentata da M. H. Becquerel

Seduta dell’8 giugno 1903

Numerosi fatti portano ad ammettere che gli atomi non sono formati da materia continua, ma da particelle della stessa natura o di natura diversa. L’esistenza dei corpi radioattivi conferma questa ipotesi, in quanto non si potrebbero concepire degli atomi rigidi che danno luogo ai complessi fenomeni della radioattività.

Stando così le cose, sembra naturale supporre che queste particelle costitutive degli atomi siano state in precedenza libere, e che esse abbiano costituito una nebulosa di estrema sottigliezza; che, in seguito, esse si sono riunite intorno a dei centri di condensazione, dando origine a dei soli infinitamente piccoli che, per un processo di ulteriore contrazione, hanno preso forme stabili e definitive, che sarebbero gli atomi degli elementi che conosciamo e che possiamo paragonare a dei piccoli soli estinti. I soli più grandi, che non si sono estinti, costituirebbero gli atomi dei corpi radioattivi.

Questa ipotesi, il cui grado di legittimità non è inferiore a quello che riguarda l’ipotesi della formazione dei mondi, consente di spiegare:

1° Perché i corpi radioattivi possiedono un peso atomico molto elevato;

2° Perché liberano dell’energia, che sarebbe dovuta alla contrazione dei loro atomi.

D’altra parte molti dei fenomeni che essi presentano non sono molto diversi da quelli manifestati dal sole, così come per i raggi luminosi, calorifici, attinici, e la scarica dei corpi elettrizzati. Per ciò che riguarda la radioattività indotta, numerose osservazioni provano che l’aria, la pioggia e la neve, cadute da poco, sono radioattive; non sembra improbabile che la loro radioattività sia dovuta all’azione della luce solare.

Non si può dire nulla sull’influenza esercitata dai campi magnetici. In effetti, essa è diversa da quella esercitata sui raggi solari, ma bisogna notare che le condizioni d’osservazione sono assai differenti: nel primo caso, il campo circonda il corpo radioattivo nelle sue immediate vicinanze; nel secondo, è ben lontano dalla sorgente. Pertanto si pensa che i corpi radioattivi debbano modificare lo stato magnetico, come si è osservata la variazione del magnetismo terrestre provocata dal sole.

Si potrebbe obiettare che, se le cosse così fossero, la radioattività dovrebbe scomparire quando si sono sottoposti i corpi radioattivi a delle temperature assai basse, come quella dell’aria liquida; mentre essa si mostra invariata. Ma l’obiezione non ha più valore di quello che si otterrebbe dicendo che l’energia liberata dal sole dovrebbe diminuire in modo apprezzabile e persino scomparire nel giro di pochi anni, poiché essa è circondata dal freddo spazio siderale. Ciò sarebbe avvenuto già da lungo tempo, se il sole fosse stato un corpo che bruciava.

Infine, questo fatto che dei piccoli quantitativi di radio liberano delle rimarchevoli quantità d’energia non ci deve sorprendere. In effetti, pensiamo che, per i potenti mezzi di disgregazione che possediamo, non siamo ancora giunti a separare gli elementi costitutivi degli atomi: così bisogna considerare che l’energia, liberata nella loro formazione, deve essere stata di un ordine di grandezza più elevato di quelle che si osservano quando la contrazione è dovuta a forze gravitazionali, molecolari o atomiche. Gli atomi dei corpi radioattivi, non avendo ancora acquistato la loro definitiva struttura ed essendo al contrario nello stato di formazione, devono dunque emettere grandi quantità d’energia.

Re Capriata sviluppa il suo ragionamento osservando come la radioattività suggerisca che gli atomi siano costituiti da parti più piccole di ignota natura. Il protone e il neutrone erano ancora sconosciuti, ma il fatto che gli atomi potessero frantumarsi suggeriva la loro natura composita. Se le particelle che costituiscono gli atomi sono soggette a fenomeni, come la radioattività, che tendono ad allontanarle, deve essere esistita una forza attrattiva che all’inizio le ha riunite assieme. Qui l’ipotesi di Re Capriata è ardita: gli atomi deriverebbero dalla coalescenza di una nube primordiale allo stesso modo delle stelle. Questo processo, di durata assai lunga, genera energia man mano che le particelle si riuniscono negli atomi. Lo scienziato siciliano pensa che gli atomi radioattivi siano quegli atomi nei quali il processo di contrazione sia ancora in corso, mentre quelli privi di attività avrebbero già completato il processo, e si sarebbero, pertanto, spenti, come tanti piccoli soli alla fine della loro esistenza. Gli atomi radioattivi di Capriata sono i più grandi perché ancora non hanno liberato l’energia in eccesso. Che egli avesse intuito che la massa si può trasformare in energia? In ogni caso, egli propone l’idea, poi rivelatasi corretta, che gli atomi radioattivi liberano energia a causa della loro instabilità. E scusate se è poco.