Che l’atomo non sia indivisibile, a dispetto della sua etimologia (a-tomé, cioè non tagliabile), l’avevano sospettato i fisici di fine Ottocento e ne ha dato una prima prova sperimentale consistente Ernest Rutherford nel 1911, cent’anni fa. Ma l’interrogativo resta. Fino a che punto è divisibile? In quante parti? E se lo dividiamo in frammenti sempre più piccoli, cosa troviamo? E ancora, come si fa a dividerlo?
Alcune di queste domande hanno trovato risposte nel secolo scorso; altre sono rimaste aperte; altre domande sono nate da quelle stesse risposte. Ecco allora che l’interrogativo posto a titolo della mostra scientifica del prossimo Meeting di Rimini (“Atomo: indivisibile? Domande e certezze nella scienza”) è tutt’altro che retorico e il percorso della mostra offre numerosi spunti per rileggere la storia di un secolo di divisibilità, come pure per aprire uno squarcio su ricerche, come quelle sulle particelle elementari, che sono la punta di diamante della fisica dei nostri giorni. E per gettare uno sguardo su luoghi dove le conseguenze di questa divisibilità diventano esperienza quotidiana e contribuiscono, a contatto diretto con la realtà, a irrobustire le certezze (non molte) dei fisici sulla natura della materia.
Uno di questi luoghi, che si potrà incontrare nella seconda stanza della mostra, è la sorgente di neutroni e muoni ISIS del Rutherford Appleton Laboratory, nei pressi di Oxford (UK), di proprietà del Consiglio delle Ricerche britannico STFC (Science and Tecnhology facilities Council), dove si usano queste particelle per investigare la struttura e la dinamica dei materiali. Ne abbiamo parlato con Silvia Imberti, che opera proprio a ISIS come Instrument Scientist.
Che cosa sono i neutroni?
I neutroni sono particelle molto piccole (più piccole di un atomo) che si trovano nel nucleo atomico. I neutroni sono molto comuni, tutto ciò che conosciamo sulla terra è fatto per il 50% circa da neutroni, anche noi.
Cosa fate con i neutroni?
I neutroni penetrano in profondità nei materiali e vengono deviati dagli atomi. Usando speciali rivelatori per i neutroni, possiamo creare un’immagine della struttura della materia a livello degli atomi e delle molecole e rivelare pertanto un’immagine non altrimenti visibile. Con ISIS esploriamo le proprietà della materia misurando le posizioni degli atomi e delle forze tra di loro, e questo permette di capire come funzionano i materiali. I neutroni possono essere utilizzati per la ricerca in fisica, chimica, ingegneria, scienza dei materiali, scienze ambientali e geologiche, e sempre di più scienze della vita.
Come funziona ISIS?
Per creare un fascio di neutroni, anzitutto occorre accelerare dei protoni fino a una velocità notevole: 84% della velocità della luce! Per questo si usano due acceleratori: uno lineare e uno circolare o sincrotrone. Ogni protone attraversa 10.000 volte l’acceleratore percorrendo in tutto 1.655 km prima di essere sparato verso un bersaglio di tungsteno. Il processo richiede 10 millisecondi e succede 50 volte al secondo. I neutroni fuoriescono in tutte le direzioni e a velocità molto elevate, per cui è necessario rallentarli e schermarli. Per il rallentamento, detto anche moderazione, si utilizzano materiali ricchi di idrogeno, come acqua e metano; quando i neutroni attraversano questi materiali subiscono una serie di urti, che li costringono a disperdere parte della loro energia.
E per schermarli?
Per schermarli è necessario utilizzare enormi blocchi di acciaio e cemento, larghi fino a 4 metri. I neutroni, infatti, essendo particelle neutre, sono in grado di attraversare grandi quantità di materiale e fuoriuscire dall’altro lato. In questo enorme schermo, che serve anche a proteggere le persone che lavorano alla sorgente, vi sono delle piccole aperture rettangolari da cui i neutroni possono fuoriuscire per raggiungere i campioni che si vogliono studiare.
Perché i neutroni sono così utili?
Se potessimo inventare una particella perfetta per scoprire dove sono gli atomi cosa stanno facendo, come sarebbe? Dovrebbe avere carica elettrica nulla, per poter passare accanto a elettroni e protoni senza farsi sentire; dovrebbe essere in grado di entrare in profondità nella materia, e non fermarsi alla superficie; dovrebbe poter essere deviate da tutti i tipi di atomi, sia quelli leggeri (idrogeno, carbonio, ossigeno) che quelli pesanti (come i metalli); dovrebbe avere dimensioni simili alla distanza tra gli atomi nella materia, per poterci dare questa informazione; dovrebbe avere una bussola al proprio interno, per essere sensibile ai campi magnetici presenti nei materiali. Per fortuna questa particella esiste, si chiama neutrone. Ed è perfetta per vedere atomi piccolo e leggeri come l’idrogeno, scoprire dove sono e cosa stanno facendo.
Può fare qualche esempio di applicazioni delle vostre ricerche?
La ricerca effettuata ad ISIS con i neutroni negli ultimi anni sta aiutando, ad esempio, a mantenere la sicurezza degli aerei in volo, a curare i bambini che nascono con piccole malformazioni delle labbra o del palato (labbro leporino), ma anche a capire le origini dei manufatti archeologici, o a progettare materiali per l’immagazzinamento di idrogeno per realizzare automobili ecologiche (a emissione zero). L’anno scorso ISIS ha aperto una seconda stazione bersaglio, aumentando la sua capacità di ricerca nell’ambito della materia soffice e delle bioscienze. Ora ha pertanto più di 30 strumenti, ognuno dei quali è ottimizzato per diversi tipi di esperimento, ovvero per fornire informazioni diverse e complementari su campioni.
Di che strumenti si tratta?
Abbiamo dei diffrattometri, per analizzare la struttura a livello atomico (cioè dove sono gli atomi); dei riflettometri, per studiare le superfici e le interfacce (quando mettiamo a contatto due materiali diversi, ad esempio acqua e sapone); degli spettrometri, per misurare l’energie dei neutroni diffusi e così fornire informazioni su movimenti atomici (cioè come si muovono gli atomi e quali forze li agitano e li legano).
