L'ingresso del neutrone di Chadwick nella
struttura del nucleo ne scacciava l'elettrone e lasciava
ben poco posto della presenza di un neutrino di Pauli.
Esaminiamo il lavoro di Fermi, considerando il decadimento
radioattivo beta di un nucleo A in un nucleo B con l'emissione
di un elettrone e un neutrino.
Se elettrone e neutrino non sono presenti in A, essi devono
essere creati nella transizione. Questa era una considerazione
dura da accettare poiché si era abituati a pensare
l'elettrone come una particella materiale, dotata di una
sua solidità. La possibilità di creare e
distruggere particelle aveva un precedente nel caso dei
fotoni. La luce è composta appunto da fotoni che
vengono creati quando la luce viene emessa e distrutti
quando viene assorbita. Un atomo può emettere un
fotone passando da un livello di energia superiore a uno
di livello inferiore. Nel processo inverso un atomo può
assorbire un fotone portandosi da un livello di energia
inferiore a uno di livello superiore. Questi processi
riguardanti i fotoni vengono descritti dalla teoria quantistica
del campo elettromagnetico sviluppato da Dirac dopo la
nascita della meccanica quantistica di Heisenberg. Nel
1927 Jordan e Klein mostrarono che questa teoria dei campi
quantistici poteva essere applicata a qualsiasi particella.
Gli elettroni potevano cioè essere visti come particelle
ma anche come fenomeno ondulatorio. Nella fisica quantica
il concetto di particella e quello di campo sono totalmente
intercambiabili. Ad ogni campo corrisponde un tipo di
particelle tra loro identiche, ma vale anche il contrario.
Il linguaggio dei campi permetteva di descrivere fenomeni
in cui delle particelle sono create o distrutte ma il
lavoro di Fermi sulla radioattività beta è
il primo in cui questa possibilità sia stata usata
al di fuori della teoria dei fotoni.
Alla base della teoria di Fermi è l'ipotesi che
il decadimento beta di un nucleo sia dovuto ad un nuovo
tipo di interazione tra particelle che causa la trasmutazione
di un neutrone in un protone con la simultanea creazione
di un elettrone ed un neutrino, .
Dato che protone ed elettrone hanno carica elettrica opposta
mentre neutrone e neutrino sono elettricamente neutri,
in questo processo è conservato il valore della
carica elettrica totale. Secondo Fermi esisteva un'analogia
tra questo processo e quello alla base dell'emissione
dei raggi gamma,
nel quale uno dei protoni nel nucleo passa da uno stato
energetico superiore ad uno inferiore, emettendo un fotone.
Fermi propose l'esistenza di un nuovo tipo di corrente,
oggi detta corrente debole, che si manifesta all'atto
della trasformazione di un neutrone in protone provocando
la creazione della coppia e - v.
Nel suo lavoro del 1933 presentò la struttura matematica
della sua nuova teoria e la sua applicazione nello studio
dei decadimenti radioattivi beta. Questi si possono dividere
in due classi:
Permessi - potrebbero avvenire anche se i nucleoni (protoni,
neutroni) fossero fermi all'interno del nucleo;
Proibiti - sono solamente resi possibili dal fatto che
i nucleoni si muovono; questi procedono più lentamente
e la loro vita media risulta circa 100 volte più
lunga dei decadimenti permessi.
Fu solamente con Fermi che questo fenomeno trovò
una spiegazione quantitativa. Un secondo risultato importante
del lavoro di Fermi è nella determinazione della
distribuzione energetica degli elettroni emessi. Dimostrò
che questa distribuzione permette di determinare la massa
del neutrino. La teoria di Fermi contiene un solo parametro
incognito, G, oggi detto costante di Fermi che può
essere determinato misurando la vita media di un decadimento
beta permesso e determina la intensità delle nuove
interazioni.
Abbiamo detto che la transizione tra neutrone e protone
nel processo sopraddetto genera una corrente debole che
conduce alla creazione della coppia elettrone - neutrino.
Il meccanismo di questo fenomeno è analogo al fenomeno
dell' induzione magnetica in cui la corrente in un circuito
elettrico genera in un campo magnetico. Nella teoria di
Fermi si ha una specie di corto circuito tra la corrente
debole dei nucleoni, attivata dalla transizione da neutrone
a protone, ed una corrispondente corrente dei leptoni
(elettroni - neutrino) la cui attivazione porta alla creazione
della coppia elettrone - neutrino. L'interazione debole
è quindi secondo Fermi un'interazione diretta tra
correnti deboli, senza l'azione di un campo intermedio,
come avviene nel caso della induzione magnetica.
In sintesi e più semplicemente…
Se i neutroni non sono composti da protoni ed elettroni
e se nel nucleo non esistono altri elettroni, come dobbiamo
intendere il fatto che nel decadimento beta gli elettroni
vengono emessi dai nuclei? La risposta fu data nel 1933
nel quadro di una nuova teoria della radioattività
beta messa a punto da Enrico Fermi. Nella teoria spiegava
che l'emissione di un elettrone nella radioattività
beta è simile all'emissione di luce da parte
di un atomo eccitato, né la particella beta né
la luce sono contenuti entro l'atomo prima dell'emissione,
ma l'emissione della particella beta non è dovuta
all'elettromagnetismo, bensì a una nuova classe
di forze che doveva essere conosciuta come interazione
debole (l'elettrone non è nel nucleo prima di
essere emesso più di quanto la bolla non sia
nella cannuccia prima di soffiarvi dentro).
La teoria di fermi della radioattività beta stabiliva
che nel processo un elettrone interno a un nucleo si
trasformasse spontaneamente in un protone, un elettrone,
e un neutrino. Confrontando la distribuzione energetica
degli elettroni prevista dalla teoria di Fermi con ciò
che si era osservato sperimentalmente si poté
concludere che la massa del neutrino doveva essere molto
piccola, decisamente inferiore a quella dell'elettrone.
I neutrini sono entità molto comuni nel nostro
universo e, anche se non sono mai stati osservati i
neutrini cosmici, si ritiene che, quali residui del
big bang, essi siano altrettanti quanti sono i fotoni,
1010 volte più numerosi dei protoni. Tuttavia,
i neutrini interagiscono troppo debolmente per venire
intrappolati negli atomi della materia ordinaria.
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