La fisica atomica, la fisica nucleare e la fisica delle particelle sono discipline recenti, sviluppatesi nel corso degli ultimi 100 anni. Nonostante oggi siano consolidate come tre aree differenti della fisica, sotto il profilo storico esiste tra loro una continuità poiché originatesi dal tentativo di comprendere sempre più a fondo la struttura della materia.
Un problema assi antico questo, poiché la materia (assieme allo spazio ed al tempo) rappresenta il dato empirico più rilevante dell’ambiente in cui siamo immersi per cui non deve sorprendere che sia stato al centro della speculazione razionale già al tempo degli antichi greci dove tale speculazione prese avvio. Tuttavia è solamente a cavallo tra ottocento e novecento che ha potuto fondarsi su sempre più solide evidenze sperimentali (vedi App. 1 – Profilo storico).
I primi indizi di una struttura interna della materia emersero nel campo della chimica (ipotesi atomica di Dalton, 1802-03) ma, già a partire dalla seconda metà dell’ottocento, anche nella fisica cominciarono ad accumularsi evidenze. Furono soprattutto i lavori di Clausius e Maxwell sui gas che chiarirono come l’ipotesi atomica potesse essere la via maestra per comprendere i fenomeni termodinamici. La successiva formulazione della meccanica statistica da parte di Boltzmann e Gibbs (1875) chiarì che era possibile dedurre le leggi termodinamiche ipotizzando che la materia fosse costituita, a livello microscopico, da atomi che, nel caso dei gas, si muovevano e si urtavano in modo caotico.
Sul finire dell’800 la tecnologia cominciò ad essere sufficientemente matura da porre su basi sperimentali il problema dell’atomo (tubi catodici). Thompson, infatti, fu capace di stabilire che l’atomo non era una struttura indivisibile ma composta per lo meno da elettroni e protoni che fu capace di individuare misurandone la carica e la massa.
Chimica e termodinamica, le prime evidenze indirette della struttura interna della materia Le prime evidenze sperimentali della struttura interna della materia
La disposizione di tali particelle all’interno dell’atomo fu compresa da Rutherford il quale, per mezzo di una famosa serie di esperimenti condotti attorno al 1910, chiarì che l’atomo (10-8cm) è una specie di microscopico sistema solare retto dalla forza elettromagnetica con gli elettroni orbitanti attorno ad una densissima struttura detta nucleo (10-13cm) formata da protoni. Fu lo stesso Rutherford ad intuire che nel nucleo dovessero risiedere anche particelle massive quanto i protoni ma prive di carica elettrica chiamate in seguito neutroni effettivamente osservati da Chadwick nel 1932 registrando il rinculo dei nuclei carichi urtati dai neutroni.
Individuati i componenti dell’atomo e la loro disposizione al suo interno si poteva tentarne una descrizione quantitativa. Fu però chiaro sin dagli inizi che la leggi della fisica classica (meccanica classica e teoria elettromagnetica) non erano in grado di farlo. Si tratta di uno dei più avvincenti capitoli della fisica quello che portò, più o meno nello stesso periodo (il primo lavoro di Bohr è del 1913, quelli di Heisenberg e Schroedinger sono del 1925 e 1926), alla formulazione della meccanica quantistica, la ‘teoria del moto’ delle particelle microscopiche che sostituiva quella newtoniana. L’insieme delle indicazioni di natura sperimentale sui costituenti dell’atomo unitamente alle leggi della meccanica quantistica permise ai fisici di condurre calcoli sempre più precisi supportati da sempre più precisi esperimenti. Teoria ed esperimento si rafforzarono reciprocamente portando al rapido sviluppo della fisica atomica.
La peculiare struttura dell’atomo poneva inevitabilmente il problema della struttura del nucleo poiché era già evidente a Rutherford che protoni elettricamente carichi potevano legarsi tra loro in una struttura così compatta solo attraverso una nuova interazione più intensa di quella elettromagnetica. Dato che nei nuclei risiedevano pure i neutroni si doveva concludere che tale interazione, detta interazione forte, doveva essere anche indipendente dalla carica elettrica. Lo studio della struttura del nucleo e della interazione forte prese avvio nei primi anni ’30 dando inizio alla fisica nucleare.
La struttura dell’atomo, la meccanica quantistica, la fisica atomica La struttura del nucleo, l’interazione forte, la fisica nucleare
Nel corso degli anni ’30, con l’introduzione del neutrino da parte di Pauli per spiegare la cinematica del decadimento beta nucleare, poi con la scoperta del mesone mu da parte Anderson e Neddermeyer nel 1937, ma, soprattutto, con il lavoro di Fermi sulle interazioni deboli (1933) fondato sulla idea rivoluzionaria che le particelle potessero mutuamente convertirsi le une nelle altre, cominciarono ad accumularsi evidenze che il mondo delle particelle si estendeva ben oltre i componenti della materia ordinaria. La graduale acquisizione di questo fatto indirizzò la ricerca di punta verso lo studio autonomo delle particelle e delle loro interazioni dando inizio alla moderna fisica delle particelle. Questa ebbe uno sviluppo travolgente a partire dall’immediato dopoguerra, prima nei laboratori americani, poi, gradualmente, in quelli europei e di altre parti del mondo.
La fisica atomica, fisica nucleare e fisica delle particelle elementari sono tre versioni storicamente successive di quella area della ricerca in fisica, orientata allo studio dei costituenti ultimi e delle loro proprietà, cui diamo il nome un poco generico di fisica fondamentale. Da tempo consolidate come aree autonome della ricerca in fisica, sono oggi caratterizzate da specifici metodi sperimentali ed approcci teorici.
Per quanto riguarda la fisica nucleare, il problema è essenzialmente quello di studiare le proprietà dello stato legato di decine ed anche centinaia tra protoni e neutroni, tenuti insieme dalla interazione forte, dove però giocano un ruolo rilevante anche l’interazione elettromagnetica e debole. Il problema è intrinsecamente complesso a causa del gran numero di neutroni e protoni interagenti ma si rivelò ancor più arduo a causa della inaspettata complessità della interazione forte stessa.
La ragione di questo fatto divenne chiara a partire dagli anni ’60 con la formulazione prima del modello a quark e poi, agli inizi degli anni ’70, della teoria di campo quantizzato della interazione forte, la cromodinamica quantistica. Si capì allora che protoni e neutroni non erano particelle elementari ma piuttosto stati legati di quark (ancor oggi ritenuti puntiformi) tra cui operava l’interazione forte ‘primaria’. Quest’ultima, a sua volta, nonostante alcune analogie formali con la
Le prime evidenze di particelle diverse dai costituenti della materia, la fisica delle particelle
forza elettromagnetica, risultava assai più intensa di quest’ultima e soprattutto caratterizzata dalla proprietà del tutto nuova di essere mediata da campi autointeragenti ovvero da campi essi stessi portatori di ‘carica forte’. Ciò significa che quelle tra i nucleoni non sono le forze forti ‘primarie’ generate dalle cariche forti puntiformi ma forze forti ‘secondarie’ o ‘residue’ di carattere multipolare del tipo delle forze interatomiche e intermolecolari nel caso della interazione elettromagnetica. Si tratta di un progresso fondamentale sul piano teorico anche se, sul piano pratico, dedurre le forze tra nucleoni a partire dalle forze primarie tra quark è ancora oggi sostanzialmente impossibile per cui la fisica nucleare deve fare largo ricorso ad un approccio fenomenologico fondato su modelli.