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Urania - Asimov d'appendice
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DAI RAGGI X AI RAGGI COSMICI - Isaac Asimov
Titolo originale: Stands for unknown

Il mese scorso abbiamo parlato delle radioonde, quella parte delle onde elettromagnetiche a bassa frequenza che stanno oltre l'infrarosso. Furono scoperte nel 1888 da Hertz, che dimostrò così la validità e l'utilità delle equazioni di Maxwell.
Le stesse equazioni, però, dimostravano che se c'erano radiazioni oltre, ma molto oltre l'infrarosso, dovevano essercene anche oltre l'ultravioletto.
Comunque, nessuno se ne interessava.
Ciò che attirava l'interesse di molti fisici nell'ultimo decennio del secolo scorso, erano i «raggi catodici»: un flusso di radiazioni che scorrevano attraverso un tubo sotto vuoto da un elettrodo negativo (catodo) posto al suo interno, non appena veniva chiuso un circuito elettrico.
Questi studi raggiunsero il punto culminante nel 1897, quando il fisico inglese Joseph John Thomson (1856-1940) dimostrò in modo definitivo che i raggi catodici non erano costituiti da ondulazioni, bensì da particelle accelerate. Ma la cosa più importante (molto importante) era che queste particelle presentavano una massa di molto inferiore a quella degli atomi più leggeri. La massa di una particella di raggi catodici era infatti solo un milleottocentotrentasettesimo di un atomo di idrogeno, e Thomson la chiamò «elettrone». Per queste ricerche ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 1906.
L'elettrone fu la prima particella subatomica a venir scoperta, e questa fu solo una di tutta una serie di scoperte che rivoluzionarono completamente la fisica negli anni '90.
Non era stata però la prima: la nuova era aveva avuto inizio col fisico tedesco Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923). Nel 1895, a cinquant'anni, era a capo della Facoltà di Fisica dell'Università di Wurzburg, in Baviera. Aveva alle spalle un serio lavoro, quarantotto pubblicazioni competenti, ma era ben lontano dall'immortalità e, senza dubbio, non sarebbe mai uscito dall'anonimato se non fossero accaduti gli avvenimenti del 5 novembre 1895.
Stava lavorando sui raggi catodici, ed era particolarmente interessato a come, colpendo violentemente alcuni composti chimici con i raggi, si provocasse un certo bagliore, una luminescenza. Uno dei composti che reagivano in tal modo era il platinocianuro di bario, e Roentgen aveva dei fogli di carta ricoperti di questo composto nel suo laboratorio.
La luminescenza era però molto debole e, per osservarla il meglio possibile, Roentgen oscurò l'ambiente e rinchiuse l'apparato sperimentale tra fogli di cartoncino nero. Poté quindi lavorare in un ambiente totalmente buio, e quando chiudeva il circuito, i raggi catodici passavano lungo il tubo, attraversavano la sottile parete di cartoncino, colpivano i fogli trattati e davano vita a quella luminescenza che ora lui poteva vedere e studiare con comodo.
Quel 5 novembre Roentgen era come sempre al lavoro, e mentre chiudeva il circuito del tubo a raggi catodici, scorse con la coda dell'occhio un tenue bagliore. Guardò in alto e vide, a una certa distanza dall'apparecchio, uno dei fogli al platinocianuro di bario che emetteva una luminescenza intensa.
Tolse la corrente e il foglio di carta si oscurò. Mise in funzione il tubo e il foglio riprese a emettere luce.
Portò allora la carta nella stanza attigua e tirò le tende per avere buio completo anche lì. Tornò al tubo a raggi catodici e mise in funzione, poi passò nella stanza accanto, chiudendo la porta dietro di sé. La carta emetteva luce, con una parete ed una porta fra sé e il tubo a raggi catodici. E risplendeva solo quando l'apparato nell'altra stanza era acceso.
Roentgen pensò che il tubo a raggi catodici stesse emettendo una radiazione penetrante, di cui nessuno aveva mai riferito prima.
Roentgen passò sette settimane studiando la forza di penetrazione di questa radiazione: quali materiali riusciva a penetrare, quali altri, e con quale spessore, potevano infine fermarla, e così via. (Più tardi, quando gli fu chiesto cosa avesse pensato quando fece la sua scoperta, rispose bruscamente: «Non ho pensato. Ho sperimentato».)
In quel periodo dev'essere stato una croce per sua moglie: si faceva vedere solo ai pasti, in ritardo e fuori di sé, trangugiava il cibo senza parlare e tornava di corsa in laboratorio.
Il 28 dicembre 1895 pubblicò finalmente i primi risultati dei suoi esperimenti. Sapeva cosa la radiazione poteva fare, ma non che cos'era. Memore del fatto che in matematica, per definire una quantità sconosciuta si usa la x, decise di chiamare la radiazione «raggi X».
All'inizio venne usato, in suo onore, il nome di «raggi Roentgen», ma, in tedesco, questo nome contiene una «ö», vocale che i Tedeschi sanno pronunciare senza difficoltà, ma capace di far annodare la lingua a chiunque altro cerchi di pronunciarla. Di conseguenza, «raggi X» è rimasta la definizione in uso generale, anche oggi che la natura della radiazione non è più un mistero.
Si capì subito che i raggi X potevano essere di grande utilità in medicina. Solo quattro giorni dopo che la notizia della scoperta di Roentgen aveva raggiunto gli Stati Uniti, i raggi X vennero usati per localizzare un proiettile nella gamba di un uomo. (E ci vollero pochi, tragici anni per scoprire che i raggi X erano anche pericolosi, e che potevano causare il cancro.)
Nel mondo scientifico i raggi X attirarono l'attenzione di quasi ogni fisico, e ciò portò ad una quantità incredibile di altre scoperte, la più importante delle quali fu quella della radioattività, nel 1896. Nel giro di un anno dalla scoperta di Roentgen erano già stati pubblicati più di mille studi su raggi X, e quando nel 1901 venne istituito il Premio Nobel, Roentgen fu il primo a cui fu conferito quello per la fisica.
I raggi X fecero colpo anche sul grande pubblico. Piuttosto preoccupati, i membri dell'Assemblea Legislativa del New Jersey tentarono di far passare una legge per proibire l'uso dei raggi X nei binocoli da teatro, allo scopo di proteggere il pudore delle dame, che, evidentemente, per i burocrati ha lo stesso valore della cultura scientifica.
Il Re di Baviera offrì a Roentgen un titolo nobiliare, ma il fisico rifiutò, ben sapendo in cosa consistono i veri onori che offre la scienza. Non volle nemmeno fare alcun tentativo di brevettare qualche aspetto nella produzione di apparecchi per i raggi X, né di ricavarne un guadagno, pensando non fosse suo diritto farlo. Il mondo lo ricompensò lasciandolo morire in completa indigenza, travolto nel 1923, dalla rovinosa inflazione del dopoguerra tedesco.

Ma che cos'erano esattamente i raggi X? Alcuni pensavano che consistessero in un flusso di particelle, come i raggi catodici. Altri, fra cui Roentgen, che fossero onde, ma longitudinali, come le onde sonore, e perciò non di natura elettromagnetica. Altri infine che fossero onde elettromagnetiche, più corte degli ultravioletti.
Se i raggi X avevano una natura elettromagnetica (tesi che guadagnava sempre più terreno) avrebbero dovuto mostrare alcune delle proprietà delle altre radiazioni elettromagnetiche. Avrebbero perciò dovuto mostrare fenomeni di interferenza. Simili fenomeni si possono dimostrare con griglie a diffrazione; fogli di materiale trasparente su cui vengono incise linee opache ad intervalli regolari. Una radiazione che passi attraverso una griglia simile produrrà un disegno che dimostra l'interferenza. Il problema era però che quanto più piccola è la lunghezza d'onda della radiazione, tanto più vicine devono essere le linee della griglia per produrre buoni risultati, e se i raggi X erano composti da onde ben più piccole di quelle degli ultravioletti, nessuna delle tecniche conosciute poteva tracciare linee abbastanza vicine.
Ed ecco che il fisico tedesco Max Theodor Felix von Laue (1879-1960), ebbe una di quelle idee semplicissime che sono brillanti in modo addirittura abbagliante. Perché affannarsi a tracciare una griglia sottile fino all'impossibile quando già ci ha pensato la natura a farlo? Nei cristalli, gli atomi che compongono la sostanza cristallina sono disposti in file e strati perfettamente regolari, ed è anzi questo fatto che rende cristallina una sostanza, fenomeno che è noto da secoli. Le file di atomi corrispondono alle righe incise sulla griglia a diffrazione, e gli spazi tra di loro al materiale trasparente. Si dà il caso che la distanza fra gli atomi fosse proprio all'incirca pari alla lunghezza d'onda che i fisici supponevano avessero i raggi X. Allora, perché non far passare dei raggi X attraverso un cristallo e vedere cosa succedeva?
Nel 1912 l'esperimento venne tentato sotto la direzione di Laue, e riuscì perfettamente. I raggi X, attraversando un cristallo prima di colpire una lastra fotografica, vennero difratti e produssero un disegno a macchie regolari. Si comportarono esattamente come avrebbero fatto delle onde elettromagnetiche di lunghezza limitatissima. Ciò definì una volta per tutte la vera natura dei raggi X, e sebbene la «X» non fosse ormai più una definizione appropriata, rimase tuttavia in uso fino ai nostri giorni.
E per quanto riguarda Laue, ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1914.
In questi esperimenti c'era ben di più che la semplice dimostrazione della diffrazione dei raggi X. Supponiamo di usare un cristallo la cui struttura sia nota, uno in cui le distanze tra file e strati di atomi possano essere determinati con ragionevole precisione in qualche modo. In questo caso, dai dettagli della diffrazione, sarà possibile determinare la lunghezza d'onda precisa dei raggi X usati. In caso contrario, partendo da un fascio di raggi X di lunghezza d'onda nota, è possibile, bombardando un cristallo i cui dettagli strutturali siano ignoti, determinare la posizione e la distanza degli atomi che formano il cristallo, grazie allo studio del disegno della diffrazione.
Il fisico inglese (di origine australiana) William Lawrence Bragg (1890-1971) era ancora studente a Cambridge quando lesse delle scoperte di Laue, e ne comprese immediatamente le implicazioni. Si mise in contatto con suo padre, William Henry Bragg (1862-1942), professore all'Università di Leeds, che a sua volta era molto interessato al lavoro di Laue. Insieme elaborarono i calcoli necessari ed effettuarono gli esperimenti, che riuscirono puntualmente. I risultati vennero pubblicati nel 1915, e, pochi mesi dopo, i due dividevano il Premio Nobel per la fisica di quell'anno. William Lawrence Bragg aveva solo 25 anni quando ottenne il premio, e rimane tutt'ora il più giovane premiato nella storia del Nobel. Visse anche fino a celebrare il 55° anniversario del suo premio, un altro primato.
La lunghezza d'onda dei raggi X va dai limiti dell'ultravioletto a 10 nanometri (l0e-8 metri) giù giù fino a 10 picometri (10e-11 metri). Le frequenze da 3*10e+16 a 3*10e+19 cicli al secondo, all'incirca 10 ottave.
La distanza fra i piani degli atomi in un cristallo di sale è di 2,81*10e-10 metri, e la larghezza di un atomo è di circa 10e-10 metri. Si può vedere che la lunghezza d'onda dei raggi X si trova proprio nella gamma atomica. Non fa meraviglia alcuna che la diffrazione cristallina funzioni per i raggi X.
Come ho già detto, la scoperta dei raggi X portò direttamente a quella della radioattività nell'anno successivo.
La radioattività implica (come suggerisce il nome del fenomeno) la produzione di una radiazione. Questa radiazione dimostrò di avere una capacità di penetrazione come i raggi X, ma si trattava di radiazioni identiche, o perlomeno simili fra loro?
Nel 1899 il fisico francese Antoine Henri Becquerel (1852-1908), che aveva scoperto la radioattività, notò che le radiazioni radioattive venivano deviate da un campo magnetico nella stessa direzione dei raggi catodici.
Questo dimostrava che la radioattività non poteva essere di natura elettromagnetica, dato che le radiazioni elettromagnetiche non sono in ogni caso sensibili ai campi magnetici.
Quasi subito dopo, e indipendentemente, il fisico neozelandese Ernest Rutherford (1871-1937), notò ugualmente che un campo magnetico poteva deviare le radiazioni radioattive. Le sue osservazioni erano però più dettagliate. Infatti notò anche che esistevano almeno due diversi tipi di radiazione radioattiva: uno era quello deviato nel modo che aveva osservato Becquerel, mentre l'altro veniva deviato nella direzione opposta.
Dal momento che i raggi catodici sono costituiti da particelle negative, era chiaro che anche la radiazione che veniva deviata nella stessa direzione consisteva di particelle negative. Di conseguenza, quella deviata nella direzione opposta doveva essere costituita da particelle positive.
Rutherford chiamò la radiazione positiva «raggi alfa», dalla prima lettera dell'alfabeto greco, e l'altra «raggi beta», dalla seconda. Questi nomi sono usati ancora adesso. Le particelle accelerate da cui questi raggi sono composti sono chiamate rispettivamente «particelle alfa» e «particelle beta». Durante l'anno 1900, Becquerel, Rutherford e i coniugi Curie, Pierre (1859-1906) e Marie (1867-1934), lavorarono sulle radiazioni radioattive. I loro studi dimostrarono che i raggi beta avevano una forza di penetrazione circa 100 volte superiore ai raggi alfa. (Becquerel e i Curie si divisero il Nobel per la fisica nel 1903 e Rutherford ottenne il suo nel 1908, però, con suo snobistico disappunto, per la chimica.)
I raggi beta, con carica negativa, venivano deviati talmente che dovevano essere composti da particelle molto leggere, assomigliando così moltissimo alle particelle dei raggi catodici. Infatti, quando nel 1900 Becquerel calcolò la massa delle particelle beta dalla loro velocità, dall'ampiezza della deviazione e dalla potenza del campo magnetico, divenne chiaro che le particelle beta non solo assomigliavano alle particelle dei raggi catodici, ma che erano identiche fra loro. In poche parole le particelle beta erano elettroni, e i raggi beta un flusso di elettroni accelerati.
Questa scoperta rese evidente che si potevano trovare elettroni non solamente nelle correnti elettriche (che era tutto ciò che aveva indicato la ricerca sui raggi catodici), ma anche in atomi che apparentemente non avevano nulla a che vedere con l'elettricità. Era il primo indizio della struttura complessa degli atomi, e i fisici cominciarono subito a tentar di spiegare come potessero degli atomi contenere elettroni carichi e rimanere allo stesso tempo neutri.
Per quanto riguarda i raggi alfa, invece, si notò che un campo magnetico che deviava fortemente i raggi beta, influiva pochissimo su di loro. Ciò significava che le particelle alfa avevano una massa molto maggiore degli elettroni.
Nel 1903 Rutherford dimostrò che le particelle alfa avevano la stessa massa degli atomi, e nel 1906 aveva perfezionato i suoi calcoli al punto di poter dimostrare che avevano la stessa massa degli atomi di elio. Nel 1909, infatti, provò che le particelle alfa si trasformavano in atomi di elio.
Ancora Rutherford, nel 1911, si mise ad elaborare il concetto di atomo nucleare. Ogni atomo, affermò, era costituito da elettroni negativi posti all'esterno, che circondavano un piccolo «nucleo» positivo che stava al centro. Elettroni e nucleo bilanciavano le cariche e producevano un atomo neutro. Questo concetto rese chiaro che le particelle alfa erano nuclei di elio.
Però i raggi alfa e beta non erano le sole radiazioni prodotte dalla radioattività. Ce n'era un terzo tipo, scoperto nel 1900 dal francese Paul Ulrich Villard (1860-1934). Villard aveva notato che esistevano alcune radiazioni che non venivano per nulla deviate dal campo magnetico. Inevitabilmente questa radiazione ricevette il nome di «raggi gamma», dalla terza lettera dell'alfabeto greco.
C'era una ragione precisa per cui i raggi gamma furono scoperti solo più tardi: le particelle alfa e beta, tutt'e due elettricamente cariche, attraevano o respingevano gli elettroni dagli atomi, lasciando dietro di sé degli ioni caricati positivamente (questo fenomeno fu compreso appieno solo dopo che il concetto di atomo nucleare fu accettato). Con le tecniche dell'epoca era relativamente facile individuare gli ioni, (e fu ancora più facile con le tecniche più perfezionate sviluppate negli anni successivi). I raggi gamma, privi di carica elettrica, erano meno efficienti nel formare gli ioni, e perciò molto più difficili da individuare.
Il problema era: cosa sono i raggi gamma?
Rutherford pensava che fossero una radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda ancor minore dei raggi X. (E sembrava una soluzione logica, visto che i raggi gamma avevano una forza di penetrazione ancor maggiore dei raggi X.)
Il più anziano dei due Bragg, invece, riteneva che fossero particelle fortemente accelerate. Se fosse stato così, avrebbero dovuto essere elettricamente neutre, dal momento che non venivano influenzate da un campo magnetico. Ma le uniche particelle neutre conosciute all'epoca erano gli atomi integri, i quali avevano scarsa forza di penetrazione. Per giustificare la capacità di penetrare di un flusso di particelle, si sarebbe dovuto supporre che avessero dimensioni subatomiche, e tutte le particelle subatomiche note all'epoca (elettroni e nuclei) erano elettricamente cariche.
Se si fosse provato che le teorie di Bragg erano esatte, si sarebbe trattato di un fatto emozionante, in quanto sarebbe saltato fuori qualcosa di completamente nuovo e diverso: particelle subatomiche neutre. L'ipotesi di Rutherford suggeriva infatti appena poco di più di quello che già esisteva: i raggi gamma, nella sua versione, non erano che una sorta di «super raggi X».
Purtroppo però non è possibile spingere la scienza ad essere drammatica solo perché si ama il dramma. Nel 1914, dopo che Laue aveva dimostrato la diffrazione dei raggi X per mezzo di cristalli, Rutherford riuscì a trovare un cristallo adatto a diffrangere i raggi gamma, e ciò risolse il problema.
La natura dei raggi era elettromagnetica, e le loro lunghezze d'onda iniziavano al limite inferiore dei raggi X, a 10e-11 metri, verso lunghezze d'onda sempre più corte, indefinitamente.
Un raggio gamma tipico, ha una lunghezza d'onda più o meno pari alla larghezza di un nucleo atomico.
Individuare una lunghezza d'onda specifica che delimiti i raggi X dai raggi gamma è un'operazione puramente arbitraria.
Potremmo definirli in altro modo, dicendo che i raggi X sono emessi da variazioni nel livello d'energia degli elettroni interni, mentre i raggi gamma vengono emessi da variazioni nel livello d'energia di particelle all'interno del nucleo. Può benissimo verificarsi, però, che qualche radiazione particolarmente forte prodotta dagli elettroni abbia lunghezza d'onda inferiore di qualche altra radiazione particolarmente debole prodotta dai nuclei. In questo caso, quelli che noi chiamiamo raggi X e raggi gamma finiscono col sovrapporsi. Questo, in ogni caso, è un problema creato dall'uomo. Due radiazioni di identica lunghezza d'onda, una prodotta dagli elettroni e l'altra dai nuclei, sono completamente identiche. È la lunghezza d'onda, non l'origine quello che conta, tranne per quanto consente agli esseri umani ad indulgere nella loro passione per la catalogazione.

Ma è possibile andare oltre i raggi gamma, accorciando sempre le lunghezze d'onda?
Per un certo periodo sembrò che ci fosse un candidato per una forma di radiazione elettromagnetica ancora più potente. Per lo meno, strumenti in grado di individuare radiazioni penetranti individuavano qualcosa anche dopo che erano stati protetti con schermi sufficienti a isolarli dalle radiazioni radioattive. C'era qualcosa, dunque, più penetrante dei raggi gamma.
L'ipotesi fu che questa nuova radiazione provenisse dal suolo. E da dove altro poteva venire?
Nel 1911 il fisico austriaco Victor Francis Hess (1883-1964) decise di dare un'ulteriore conferma a ciò che pareva ovvio portando uno strumento per individuare le radiazioni su un pallone. Si aspettava che qualsiasi segno di radiazione penetrante cessasse una volta che si fosse allontanato a sufficienza dal suolo.
Non fu così. Invece di affievolirsi, la radiazione aumentava di intensità man mano che saliva. Quando ebbe raggiunto diecimila metri di quota, vide che l'intensità era otto volte quella che si aveva a terra. Hess chiamò (in tedesco) «raggi d'alta quota» questa radiazione, che pensava provenisse dallo spazio esterno. Per questa scoperta ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 1936.
Altri scienziati si misero subito a studiare i raggi d'alta quota, ma sembrava che non ci fosse modo di attribuirli ad un particolare corpo celeste. Pareva che provenissero indistintamente da tutto il cosmo, per cui, nel 1925, il fisico americano Robert Andrews Millikan (1868-1935) suggerì di chiamarli «raggi cosmici», e il nome ebbe immediato successo.
L'opinione di Millikan era che i raggi cosmici fossero di natura elettromagnetica, che fossero più corti, e più energici, dei raggi gamma. Credeva inoltre che avessero origine ai confini dell'Universo, dove la materia si crea. Considerava i raggi cosmici un «grido di nascita» della materia e diceva: «Il Creatore è ancora al lavoro». (Millikan, figlio di un ministro Congregazionalista, era profondamente religioso, come molti scienziati.)
Non tutti erano però d'accordo con Millikan. Alcuni sostenevano che i raggi cosmici consistevano in flussi di particelle molto energiche e, con certezza quasi assoluta all'epoca, elettricamente cariche, dato che ancora negli anni '70 non erano state scoperte particelle neutre che avessero forza di penetrazione.
La teoria delle particelle aveva avuto la meglio su quella della radiazione nel caso dei raggi catodici, mentre era accaduto il contrario coi raggi X e gamma. E per i raggi cosmici?
La soluzione non sarebbe stata semplice. Se i raggi cosmici fossero stati una radiazione elettromagnetica, la loro lunghezza d'onda sarebbe stata tanto minuscola che nessun cristallo avrebbe avuto la capacità di produrre un effetto di diffrazione. E se fossero state particelle cariche elettricamente, la loro energia sarebbe stata tale che nessun campo magnetico creato dall'uomo avrebbe potuto deviarle in modo sensibile. Così nessun esperimento poteva dare la certezza e definire il problema.
Tuttavia ad alcuni fisici venne in mente che i raggi cosmici, per raggiungere la Terra, dovevano attraversarne il campo magnetico. Campo magnetico non particolarmente potente, ma così esteso che anche una deviazione di lieve entità sarebbe divenuta misurabile.
Se i raggi cosmici giungevano in misura uguale da ogni parte del cielo, e se erano costituiti da particelle cariche, allora il campo magnetico terrestre avrebbe dovuto deviarli, allontanandoli dall'equatore magnetico (la zona equidistante dai poli magnetici) verso i poli. È quello che si chiama «effetto latitudine», dato che il campo magnetico terrestre ha l'effetto di spostare l'incidenza dei raggi cosmici dalle latitudini più basse a quelle più alte.
I primi tentativi di dimostrare l'effetto latitudine non furono molto convincenti. Allora, verso il 1930 il fisico americano Arthur Holly Compton (1892-1962) decise di ricominciare dal principio. Si mise a viaggiare in tutto il mondo per diversi anni, spostandosi da una località all'altra e misurando l'intensità dei raggi cosmici in ogni luogo.
Con questo lavoro Compton riuscì a dimostrare che l'effetto latitudine esisteva, e che i raggi cosmici erano, in effetti, formati da particelle cariche.
Millikan si aggrappò cocciutamente alla sua versione elettromagnetica dei raggi cosmici, nonostante fosse ormai evidente il contrario, ma era alla testa di un gruppetto sempre più decrescente. Era in errore. Nessuno oggi dubita più sulla natura dei raggi cosmici. È ora noto che sono formati da particelle positive, più precisamente da nuclei atomici, più che altro di idrogeno, ma anche da più pesanti, fino a quelli di ferro.
Così lo spettro elettromagnetico termina coi raggi gamma dal lato delle onde corte, e colle radioonde da quello delle onde lunghe. Col mese venturo potremo finalmente passare ad altri argomenti.

FINE