Nella sede del Dipartimento di Fisica di via Panisperna Enrico Fermi e gli altri giovani fisici del gruppo, coordinato da Orso Maria Corbino, avevano infatti deciso di proseguire gli esperimenti di Frédéric e Irène Joliot-Curie, bombardando il nucleo con neutroni e non con particelle alpha, come avevano fatto fino a quel momento i fisici francesi.
L’istituto di Fisica di via Panisperna a Roma
In questo modo, sfruttando l’assenza di carica dei neutroni, si sarebbero ridotti gli effetti elettrostatici sempre presenti nelle interazioni del nucleo con le particelle alpha. Per ottenere neutroni, Fermi sfruttò come sorgente una polvere di berillio mescolata a radon in piccoli tubi di vetro forniti dall’Istituto di Sanità Pubblica di Roma. Il berillio emetteva neutroni a seguito dell’assorbimento di particelle alpha emesse dal radon, a sua volta estratto dal radio.
tubicino di vetro con miscela di radio-berillio all’interno
Apparato per l’estrazione del radon dal radio (Istituto della Sanità Pubblica)
Questo tipo di sorgente era più intensa di quelle al polonio, usate normalmente per la generazione di neutroni. Fermi capì che l’emissione gamma, prevista per le sorgenti al radio, non sarebbe in ogni caso stata un problema, dato che non avrebbe interferito con i decadimenti beta a cui Fermi era interessato nelle fasi di misura per il riconoscimento di eventuali prodotti radioattivi. Indagando con un contatore di Geiger-Müller l’assorbimento dei neutroni a partire dagli elementi più leggeri fino ai più pesanti, Fermi si accorse che il primo elemento della tavola periodica capace di assorbire neutroni sarebbe stato il fluoro.
Quaderno di Fermi, pag. 35: radioattività del fluoro indotta dai neutroni, misurata in intervalli di 20’’ a seguito dell’irraggiamento (il fluoro ha una vita media di circa 10’’) (v. Guerra, F., & Robotti, N. (2015). Enrico Fermi e il quaderno ritrovato: 20 marzo 1934-La vera storia della radioattività indotta da neutroni. Società italiana di fisica).
I prodotti della reazione avrebbero poi subito decadimenti beta -, in quanto il neutrone in eccesso si sarebbe spontaneamente trasformato in un protone con emissione di elettroni.
Lettera di Enrico Fermi a “La Ricerca Scientifica” (25 marzo 1934), rivista del C.N.R.
Avrebbe poi osservato lo stesso comportamento anche in nuclei più pesanti, fino all’uranio, deducendo che i prodotti delle reazioni nucleari dovevano comportare la creazione di nuclei più pesanti dell’uranio, detti transuranici. Chiamò i primi due di questi ausonio e esperio: fu un clamoroso errore. L’uranio irraggiato di neutroni, infatti, non genera nuovi elementi, ma si scinde in due elementi leggeri; ma ci sarebbero voluti ancora quattro anni prima dell’intuizione di Lise Meitner e della completa comprensione delle reazioni nucleari.
Fermi fece un’ulteriore scoperta, mentre bombardava gli elementi con neutroni. Si rese conto che la presenza di alcune parti in legno prossime all’esperimento, avevano la capacità di enfatizzare l’esito dell’esperimento stesso, a differenza di quanto succedeva se l’esperimento veniva svolto su tavoli di marmo. In questo modo poté intuire che i neutroni rallentati dal legno avrebbero reso più probabile l’assorbimento da parte dei nuclei irraggiati. Una conferma di questo comportamento fu notata utilizzando uno strato di paraffina, ottimo rallentatore di neutroni dato che è costituita da elementi leggeri, interposto tra la sorgente di neutroni e il cilindro da analizzare.
Un secondo aspetto che comprese, era legato alla disposizione geometrica dei diversi componenti dell’esperimento. Per l’analisi degli elementi metallici, Fermi costruì piccoli cilindretti costituiti dal materiale da analizzare, in cui veniva posta la sorgente di neutroni. In questo modo la sorgente sfruttava l’intero angolo solido per l’irraggiamento del cilindro.
campione di cilindrico cavo
Facendo ruotare il cilindretto attorno alla sorgente, Fermi si rese conto che la posizione reciproca della sorgente e del manufatto alterava la misura dei prodotti di reazione. Con queste due osservazioni sperimentali, Fermi comprese due questioni centrali dei processi di fissione, che sarebbero stati determinanti nella progettazione degli ordigni nucleari: la moderazione dei neutroni e la geometria dell’esperimento.