La forza nucleare e i neutroni lenti di Fermi spiegati con il gioco “acchiapparella”

Cos’è la forza che tiene uniti gli atomi? E quando è stata scoperta? Ancora, perché i neutroni lenti sono così importanti nella fisica? Risponde Ottavia Bettucci, ricercatrice post-doc al Centro Interdipartimentale di Ricerca sui Biomateriali (CRIB) – IIT Napoli (e autrice anche per Galileo). L’occasione è la gara 2020 di FameLab Italy (in cui Bettucci è fra i finalisti), il primo talent di comunicazione scientifica per studenti e giovani ricercatori. Per raccontare l’esperimento che ha portato alla scoperta di questi fenomeni la giovane ricercatrice si serve di un paragone tratto dalla vita reale: il gioco acchiapparella. E chi di noi non ci ha mai giocato da bambino, almeno una volta? Ecco il video.

Fermi “gioca ad acchiapparella” coi neutroni

Il gioco “acchiapparella” infatti si può fare anche con le particelle, come racconta Ottavia, ed è in qualche modo simile ad un famoso esperimento svolto dal fisico Enrico Fermi e dal gruppo da lui coordinato, quello dei “ragazzi di via Panisperna”.

Da tempo i fisici provavano a bombardare atomi di uranio con fasci di neutroni velocissimi. L’obiettivo era che i neutroni fossero acchiappati dagli atomi con il risultato di spezzare i nuclei atomici in due parti. Ma i neutroni erano troppo veloci e il gruppo non riusciva a raggiungere l’obiettivo. Tutto cambiò la mattina del 22 ottobre 1934, quando Fermi decise di cambiare strategia. Come? Sempre sparando un fascio di neutroni contro i nuclei di uranio ma stavolta rendendoli più lenti e facilmente acchiappabili. Per farlo interpose un assorbitore di paraffina, contenente atomi di idrogeno, ossigeno e carbonio, più leggeri di quelli utilizzati fino ad allora. In breve tempo si identificò che la chiave della riuscita, del rallentamento dei neutroni, era proprio la presenza dell’idrogeno. Così l’esperimento fu ripetuto utilizzando l’acqua, che ne contiene in abbondanza.

I neutroni, scontrandosi con l’idrogeno (di fatto con i protoni liberi) cedono metà dell’energia per ogni collisione. Al contrario, nello scontro con nuclei pesanti, come il piombo, utilizzato prima di questa prova, i neutroni collidono in maniera elastica: in pratica rimbalzano, cambiando direzione, ma non velocità, e non perdono energia. Tanto più sono veloci e tanto meno saranno catturati dai nuclei di uranio, dunque la reazione desiderata sarà meno probabile. Al contrario, più i neutroni sono lenti e più l’efficacia nel generare la reazione è maggiore. Fermi quella mattina ci riuscì: aveva scoperto la forza nucleare. E aveva ottenuto, senza ancora rendersi conto, la prima prova della fissione nucleare artificiale di un atomo.