Notizie in Controluce

In prossimità del Natale 2008, ricorre il 70esimo anniversario della scoperta della fissione nucleare da parte dei fisici Lise Meitner e Otto Frisch sulla base di dati sperimentali forniti dai chimici Otto Hahn e Fritz Strassmann. Controluce intende fornire un collage di scritti di autori vari che hanno narrato fatti e contorni di questa appassionante vicenda che ha cambiato la storia del mondo. I compilatori della raccolta, che uscirà in puntate mensili, sono Nicola Pacilio, docente di fisica dei reattori nucleari a Berkeley (California, USA) e Fabrizio Pisacane, ingegnere nucleare e ricercatore ENEA.

James Chadwick e la scoperta del neutrone

Figlio di un proprietario di una lavanderia. James Chadwick è nato a Bollington (Cheshire) il 20 ottobre 1891 e morto a Cambridge il 24 luglio 1974. Frequentò le scuole superiori a Manchester e si iscrisse alla locale università per studiare matematica. Per un errore della segreteria, dopo il colloquio di ammissione, fu registrato tra gli studenti di fisica. Molto timido di carattere non segnalò l’errore e si laureò in fisica nel 1911, per poi entrare nel gruppo di ricerca del prof. Ernest Rutherford, occupandosi di vari problemi sulla radioattività. Nel 1913, grazie ad una borsa di studio, si recò a Berlino per lavorare al Laboratorio Fisico Tecnico di Berlino-Charlottenburg con Hans Geiger.

Prigioniero di guerra. Allo scoppio del primo conflitto mondiale, fu internato come prigioniero civile a Ruhleben e, finita la guerra, nel 1919 tornò in Inghilterra, accettando un posto al Gonville and Caius College. Riprese così a lavorare sotto la direzione di Rutherford che si era nel frattempo trasferito al Cavendish Laboratory. Rutherford era appena riuscito, nello stesso anno, a disintegrare un atomo di azoto mediante bombardamento con particelle alfa, con emissione di un protone, e Chadwick si unì al programma di trasmutazione artificiale di altri elementi leggeri. Nel 1921 fu eletto fellow di un prestigioso college di Cambridge, il Caius College e, nel 1923, assistente direttore di ricerca al Cavendish Laboratory; nel 1927 fu infine nominato membro della Royal Society.

La scoperta del neutrone. Nel 1930 Walther Bothe e Herbert Becker notarono che nella reazione tra particelle alfa e nuclei leggeri si otteneva una radiazione sconosciuta e Frèdèric e Irène Joliot-Curie mostrarono che questa, incontrando materiali ricchi di idrogeno (come la paraffina) ne espelleva protoni ad alta energia. Chadwick interpretò tale radiazione come una particella neutra, di massa simile al protone, ottenuta dal nucleo nella reazione 11B + 4He g 14N + 1n, evidenziando l’esistenza del neutrone, già previsto da Rutherford. Osservò che il neutrone, non avendo carica elettrica, era preferibile al nucleo di elio per penetrare nei nuclei degli elementi pesanti, aprendo così la strada agli esperimenti di Fermi, Lise Meitner e altri sulla fissione nucleare. All’inizio dubitava che fosse una particella elementare, ma piuttosto l’unione di un protone e di un elettrone. Fu Heisenberg che interpretò protone e neutrone come due stati di una particella, il nucleone. Per la scoperta del neutrone ottenne la medaglia Hughes della Royal Society, nel 1932, e il premio Nobel 1935 per la fisica: lo stesso anno furono premiati per la chimica i coniugi Joliot-Curie. Venne poi a sapere che un elettrochimico tedesco, Hans Falkenhagen di Rostock (suocero del chimico norvegese, poi Premio Nobel, Lars Onsager), aveva forse scoperto precedentemente il neutrone, ma non aveva pubblicato i suoi risultati.

Ottiene la cattedra a Liverpool. Rimase a Cambridge fino al 1935, quando fu chiamato alla cattedra di fisica all’Università di Liverpool. Lasciò Cambridge anche per i contrasti sorti con Rutherford, che si opponeva al progetto di costruzione di un ciclotrone, da lui sostenuto. A Liverpool riuscì nel suo intento e costruì il primo ciclotrone inglese, usando parte dei soldi del Premio Nobel. I contrasti con il vecchio amico Rutherford si acuirono e, quando visitò Cambridge, fu accusato di sperperare denaro nella costruzione di costosi acceleratori ed anche di tentare di convincere i suoi assistenti John Cockroft e Markus Oliphant a trasferirsi a Liverpool. Rutherford, incapace di serbare rancore a lungo, gli scrisse poi in toni più concilianti, ma morì improvvisamente nel 1937 e i due non ebbero più occasione di incontrarsi. Chadwick ricordò spesso la triste fine di una così grande e duratura amicizia.

Il primo ciclotrone inglese. Col nuovo ciclotrone si dedicò a studi di fisica medica e terapia dei tumori, sulle orme di analoghe iniziative di Ernest O. Lawrence in USA. Allo scoppio della seconda guerra mondiale rischiò di trovarsi ancora bloccato in terre nemiche; si trovava infatti in vacanza di pesca in Svezia e non c’erano più voli per tornare in patria. Fortunatamente riuscì ad arrivare ad Amsterdam e da qui fino in Inghilterra. Nel 1940 fu chiamato nella Commissione Maud, per studiare la fattibilità di un’arma nucleare, e si recò negli Stati Uniti e Canada insieme alla missione Tizard per collaborare con gli scienziati americani. Tornato in patria concluse che non si sarebbe ottenuto nulla di concreto da queste ricerche fino alla fine della guerra, ma alla pubblicazione del ‘rapporto Simon’ che stabiliva la possibilità di isolare l’Uranio-235 capì che la costruzione di una bomba nucleare non solo era possibile, ma anche inevitabile, e da allora, come scrisse poi, dovette iniziare a prendere sonniferi per dormire. Era infatti l’unico rimedio per calmare il suo animo travagliato e ansioso.

La coscienza critica di uno scienziato responsabile. Dal 1943 al 1946 lavorò negli Stati Uniti come capo del gruppo inglese aggregato al Progetto Manhattan, per la costruzione della bomba atomica. O.R. Frisch e Rudolf Peierls avevano calcolato per l’U-235 una massa critica molto piccola basandosi su una teoria molto plausibile, riguardante le sezioni d’urto dei neutroni nei vari materiali. Anche Chadwick aveva fatto nuove misurazioni di sezioni d’urto. Era un uomo molto lucido e quando vide quei nuovi valori fu afferrato da una chiaroveggenza ancora più lancinante. Nel 1969, Chadwick descrisse questo cambiamento di stato d’animo in una intervista. Ecco le sue precise parole: Ricordo ancora la primavera del 1941. Fu allora che mi resi conto che una bomba nucleare non era soltanto possibile, ma inevitabile. Non sarebbe passato molto tempo prima che tutti ci avrebbero pensato e qualche paese le avrebbe messe in pratica. Ed io non avevo nessuno con cui parlare. Vede, nel laboratorio le persone più importanti erano Frisch, austriaco, e il fisico sperimentale polacco Joseph Rotblat. Per alta che fosse l’opinione che ne avevo, non erano cittadini di questo paese e tutti gli altri che lavoravano in laboratorio erano ragazzini di poco più o poco meno di 20 anni. Non c’era nessuno con cui parlarne. Ma capivo bene che la cosa avrebbe potuto essere molto, molto grave, E allora dovetti cominciare a prendere sonniferi. Era l’unico rimedio. Da allora non ho mai smesso. Sono trascorsi 28 anni e credo di non avere smesso di prendere sonniferi nemmeno per una sola notte di questi 28 anni.

Uno strano messaggio di Chadwick a Bohr. All’inizio del 1943 un capitano dell’esercito danese, che era anche membro della resistenza clandestina, andò a trovare Niels Bohr nella sua casa d’Onore di Copenhagen. I due uomini presero il tè e poi si ritirarono nella serra dello scienziato, dove la loro conversazione non poteva essere raccolta da microfoni nascosti. Gli inglesi avevano informato l’uomo della resistenza che presto avrebbero mandato a Bohr un mazzo di chiavi. Nella impugnatura di due di queste erano state scavati due fori a fondo chiuso, nei quali erano state inserite due microfotografie identiche grandi come puntini; poi i buchi erano stati sigillati. Il Professor Bohr dovrebbe gentilmente limare le chiavi al punto indicato fino a che comparirà il buco, spiegavano le istruzioni. Il messaggio potrà essere estratto mediante una siringa o fatto scivolare su un vetrino. Il capitano si offerse di estrarre la microfotografia e ingrandirla. Bohr non era un agente segreto e accettò con gratitudine. Quando il messaggio arrivò, risultò essere una lettera di James Chadwick. La lettera invitava mio padre a recarsi in Inghilterra, dove sarebbe stato accolto con molto calore, ricorda Aage Bohr, grande figlio del grande Niels. Chadwick gli diceva che avrebbe potuto lavorare liberamente su questioni scientifiche, ma parlava anche di problemi speciali per i quali la sua collaborazione sarebbe stata di grande aiuto. Bohr intuì che forse Chadwick alludeva al lavoro sulla fissione nucleare, sulle quali applicazioni il fisico danese era ancora scettico. Non sarebbe rimasto in Danimarca – scrisse nella sua risposta a Chadwick – se sperasse di poter essere veramente di aiuto, ma non credo che questo sia probabile. Per quanto posso vedere, nonostante le prospettive future, ogni uso immediato delle ultime e meravigliose scoperte della fisica atomica, mi sembra irrealizzabile. James Chadwick non era della stessa opinione e, per questo motivo, era vittima di angosciose attese. (Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb, Touchstone, 1986)

Il ritorno in Inghilterra. Tornato in patria nel 1948, si ritirò dalla cattedra di Liverpool e dalla ricerca attiva per la sua elezione a preside del Gonville and Caius College, carica che mantenne fino alle sue dimissioni nel 1959. Dal 1957 al 1962 fu membro della Commissione Britannica per l’Energia Atomica. Nel 1952 sostenne il progetto della costruzione congiunta di un grande acceleratore europeo, che sostenesse la concorrenza americana, usando l’esperienza del sincro-ciclotrone di Liverpool, fino ad allora la più grande macchina fuori dagli USA. Sostenne così l’entrata dell’Inghilterra nella nascita del CERN. Pubblicò molti lavori sulla radioattività insieme a Rutherford e Ellis e congiuntamente anche il trattato Radiations from Radioactive substances (1930). Fu nominato Sir nel 1945. Oltre ai premi già citati, ottenne la medaglia Copley nel 1950 e la medaglia Franklin nel 1951. Ottenne anche vari dottorati onorari ed era membro delle principali Accademie scientifiche tra le quali il Franklin Institute, l’Accademia Pontificia, l’American Philosophical Society e l’Institute of Physics.

Vita privata. Aveva sposato nel 1925 Aileen Steward-Brown ed ebbero due gemelle. Al pensionamento si stabilì in un cottage in Galles del Nord, per dedicarsi agli hobbies preferiti del giardinaggio e pesca, felice di ritornare vicino a Liverpool, ma nel 1969 tornò a Cambridge per vivere vicino alle figlie.
(A. Brown. The Neutron and the Bomb, a Biography of Sir James Chadwick, Oxford Uiversity Press, 1997)