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Un salto nel passato: i tubi a vuoto per investigare nel mondo dell’atomo.

Lorenzo Innocenti - 10 Settembre 2014
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Quando si pensa allo studio di un un argomento così impervio, come è quello dell’atomo, ci figuriamo sofisticatissime attrezzature all’avanguardia: acceleratori di particelle, microscopi elettronici a effetto tunnel e tant’altro.

Simili dispositivi sono stati ideati però quasi un secolo dopo le prime teorie che spiegano il modello atomico con approccio scientifico.

Cosa allora ha permesso agli scienziati del XX secolo di capire l’atomo senza dover ricorrere a quelle speculazioni puramente filosofiche che hanno caratterizzato per secoli la “scienza” prima dell’avvento del metodo galileiano?

La risposta, onestamente, è scritta in grassetto nel titolo a inizio pagina, ma questo non deve minare in alcuna maniera lo stupore del gentile lettore, arrivato fino a questo punto!

Ebbene sì, l’atomo fu studiato facendo uso di semplici tubi di vetro contenenti gas rarefatto: i tubi a vuoto.

A grandi linee, così andò la storia.

Nel 1858 un vetrario e fisico tedesco, Heinrich Geissler, riuscì a saldare (non senza qualche difficoltà) due elettrodi di metallo in un’ampolla di vetro soffiato in cui era stato fatto il vuoto tramite una pompa al mercurio.

Egli scoprì che, applicando un’alta differenza di potenziale ai capi dei due elettrodi, il gas a bassa pressione si illuminava di una luce fosforescente, il cui colore variava a seconda del gas contenuto nell’ampolla.

Il signor Geissler ideò così il primo tubo a vuoto che, con le opportune modifiche, costituirà il principio di funzionamento del tubo catodico del televisore, del dispositivo per generare raggi X, e, su un altro fronte, la lampadina a incandescenza.

Fu però William Crookes ad accorgersi che questi raggi non si limitavano a percorrere il tragitto tra i due elettrodi, ma proseguivano proiettandosi alla parete di vetro dietro l’elettrodo con carica positiva: il catodo.

Questa proiezione era ben osservabile se il vetro dalla parte del catodo era trattato con solfuro di zinco, in grado di emettere bagliori fosforescenti se bersagliato dai raggi.

Nel 1860 descrisse nel dettaglio le proprietà dei “raggi catodici”, raggi di carica negativa, con alta energia intrinseca ma con scarso potere penetrante.

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Un tubo di Crookes in funzione, i raggi catodici incontrano una lamina metallica a forma di croce celtica e proiettano la sua ombra sul vetro, trattato con solfuro di zinco.

 

Nel 1896 Joseph J. Thomson calcolò, tramite vari esperimenti, il rapporto carica/massa dei corpuscoli che costituivano i raggi catodici, che chiamò elettroni.

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J. Thomson nel suo studio, alle prese con un tubo di Crookes. Più in profondità si scorge un tubo di Roentgen.

 

Fu Robert A. Millikan, nel 1909, a determinare la carica del singolo elettrone, permettendo di risolvere il rapporto calcolato da Thomson.

Neppure il signor Millikan ricorse a strumentazioni particolarmente avanzate, si servì fondamentalmente di olio nebulizzato, un microscopio ed un macchinario relativamente semplice.

Nel 1898 vennero studiati da Goldstein e Wien i raggi anodici, costituiti da protoni.

Il tubo di Geissler aprì le porte ad un’altra fondamentale scoperta, i raggi X.

Il fisico tedesco William Roentgen studiava da anni il funzionamento del tubo di Crookes.

Nel suo laboratorio, a qualche metro di distanza dal tubo a vuoto, possedeva uno schermo a base di sali di bario, ed in un cassetto della sua scrivania in legno conservava dei blocchi di carta fotografica.

Si accorse, nel 1895, che quando accendeva il tubo a vuoto, lo schermo a base di bario si illuminava.

In aggiunta a questo fatto, trovò i blocchi di carta fotografica completamente bianchi, come fossero stati esposti alla luce del giorno, pur essendo rimasti sempre sigillati nelle loro confezioni.

Roentgen ipotizzò l’esistenza di un nuovo tipo di raggio, che per via della sua natura incognita, definì raggi X.

Le applicazioni mediche dei raggi X sorsero nel giro di poco, e certo non mancano aneddoti relativi all’uso spropositato che se ne fece all’epoca, quando la pericolosità di tali raggi non era stata neppure lontanamente contemplata.

Le attrezzature che operano grazie ai raggi X fanno uso tutt’oggi del tubo di Roentgen.

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Uno dei primi tubi di Roentgen, tanto elegante quanto pericoloso.

 

I tubi a vuoto ed i raggi X permisero inoltre a Henry Moseley, nel 1913, di determinare il numero atomico degli elementi metallici.

Tramite un tubo a vuoto “particolare”, lo spettrometro di massa, fu studiato il concetto di isotopia, e quindi l’esistenza del neutrone.

La storia non finisce qua, centinaia di scienziati si sono dedicati allo studio dell’atomo e le ricerche non sono certo terminate.

Ma i costituenti base dell’atomo, elettroni, protoni e neutroni, sono stati scoperti e studiati cento anni fa, quando ancora i mezzi a disposizione erano del vetro soffiato, un generatore di alta tensione e poco più.

Ed una genialità assolutamente invidiabile.

 

 

 

Lorenzo Innocenti