La scoperta del neutrone

Marzo 11th, 2021 | by Marcello Colozzo |

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Fig. 1


Premessa. La radioattività naturale

I nuclei degli atomi di alcuni elementi chimici (radio, polonio, ecc.) possono essere sede di processi che determinano la trasmutazione del nucleo medesimo. Più specificatamente, il nucleo di un succitato elemento chimico X può trasformarsi nel nucleo di un elemento chimico Y. Il processo è caratterizzato dall'emissione di radiazione elettromagnetica (raggi γ) e di particelle cariche estremamente energetiche. Le particelle α sono quelle di carica elettrica positiva (nuclei di He), mentre le particelle ß- sono elettroni veloci. Si parla, dunque, di decadimento radioattivo. Per quanto precede, si tratta di processi che avvengono spontaneamente e che rientrano nella cosiddetta radioattività naturale.

Da un punto di vista sperimentale, tali processi sono utili poiché gli elementi chimici radioattivi possono essere utilizzati come sorgenti di particelle a,ß e raggi γ.

Disposizione sperimentale di Chadwick

Una camera ad alto vuoto contiene un campione di polonio e una sottile asta di berillio (fig. 1). Le particelle α emesse dai nuclei di polonio, urtando i nuclei di berillio, danno luogo a delle reazioni nucleari. Le eventuali particelle uscendo dal berillio sono inviate su una lastra di paraffina. In questo modo ci si aspetta l'emissione di particelle cariche. Più precisamente, si tratta di nuclei di idrogeno (protoni). Tra i protoni liberati, solo quelli di energia massima raggiungono il rivelatore. Schematizzando l'urto neutrone-protone attraverso un urto normale centrale, si ha (ricordiamo che le lettere minuscole si riferiscono alle grandezze cinematiche prima dell'urto, e viceversa):


essendo m1 la massa del neutrone (incognita) e m2 la massa del protone (nota). Siccome il protone è fermo, si ha:

La velocità del protone dopo l'urto (V2) si determina misurandone l'energia cinetica. Quindi abbiamo un sistema due equazioni lineari nelle tre incognite (v1,V1,m1). È necessaria dunque, una terza equazione. A tale scopo Chadwick ripetè l'esperienza utilizzando una lastra di paracianogeno al posto della paraffina, che in seguito al bombardamento di neutroni, emetteva nuclei di azoto (massa m2'). Ne segue (nella solita schematizzazione di urto normale centrale):

Anche qui si misura V2' attraverso una misura di energia cinetica. In definitiva abbiamo il sistema


di quattro equazioni nella quattro incognite (v1,V1,V1',m1), da cui poter ricavare la massa del neutrone

di poco superiore a quella del protone:

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