Ciacole de scienza - Dalla scoperta dei neutroni lenti alla costruzione della prima pila atomica: 125 anni dalla nascita di Fermi

«Varda, se la ciapi proprio in centro, la bianca se ferma e l'altra va via.» «Pensa che sta roba qua xe praticamente la stessa strategia che Fermi ga usà per capir come rallentare i neutroni». «Cossa centra el biliardo coi neutroni?». «Centra che un neutrone e un protone i ga quasi la stessa massa. Come due bale da biliardo».

«Varda, se la ciapi proprio in centro, la bianca se ferma e l'altra va via». «Pensa che sta roba qua xe praticamente la stessa strategia che Fermi ga usà per capir come rallentare i neutroni». «Cossa centra el biliardo coi neutroni?». «Centra che un neutrone e un protone i ga quasi la stessa massa. Come due bale da biliardo».

Il 29 settembre di 125 anni fa nasceva Enrico Fermi, vincitore nel 1938 del Premio Nobel per la Fisica per la scoperta di nuovi elementi della radioattività e delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti.

Per capire come arrivò a questa scoperta bisogna tornare al 1934, quando Fermi si interessò alla radioattività artificiale appena scoperta da Irène Curie e Frédéric Joliot. I due avevano osservato che bombardando alcuni elementi con particelle alfa — nuclei di elio, formati da due protoni e due neutroni — questi potevano diventare radioattivi. Il metodo, però, funzionava soprattutto con gli elementi leggeri: le particelle alfa, essendo cariche positivamente, vengono respinte dai nuclei, anch'essi positivi, e questa repulsione diventa sempre più forte al crescere della carica del nucleo. Fermi pensò allora di provare con i neutroni, che non avendo carica, non vengono respinti dal nucleo e possono quindi raggiungerlo più facilmente. Cominciò così, insieme ai “ragazzi di via Panisperna”, a bombardare gli elementi della tavola periodica, dall'idrogeno all'uranio.

Durante gli esperimenti essi notarono però qualcosa di strano: mettendo diversi materiali tra la sorgente di neutroni e l'elemento da irradiare, l'attività radioattiva cambiava e, in particolare, con la paraffina aumentava. La paraffina contiene molto idrogeno, il cui nucleo è un protone. E protone e neutrone hanno quasi la stessa massa. Immaginate una palla da biliardo che colpisce frontalmente un'altra palla della stessa dimensione: trasferendole gran parte della sua energia, rallenta. Lo stesso succede ai neutroni. Urto dopo urto, attraversando un materiale ricco di idrogeno, perdono energia e diventano più lenti. E Fermi scoprì che questi neutroni lenti potevano essere molto più efficaci nel provocare reazioni nucleari.

Qualche anno dopo, Lise Meitner e Otto Frisch capirono che il nucleo di uranio, quando colpito da un neutrone, si divideva in due nuclei più piccoli, liberando energia e altri neutroni. Questi neutroni potevano provocare altre fissioni, che ne liberavano altri ancora, dando luogo ad una reazione a catena autosostenuta. Tuttavia, per mantenerla era necessario che abbastanza neutroni provocassero nuove fissioni prima di essere assorbiti o di fuggire dal materiale. E qui tornava utile l'idea di Fermi: rallentare i neutroni. Nel 1942 Fermi e Leo Szilard costruirono la Chicago Pile-1, una gigantesca struttura di grafite contenente blocchi di uranio. La grafite è, infatti, in grado di rallentare i neutroni assorbendone molti meno rispetto all’idrogeno. Il 2 dicembre, rimuovendo progressivamente le barre di controllo di cadmio, la pila raggiunse la criticità: per la prima volta nella storia, una reazione a catena nucleare autosostenuta era stata avviata e controllata.   

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