Le sostanze con radioattività alfa
emettono nuclei di elio, ad esempio, il radio (Ra)-
elemento scoperto da Marie Curie- decade in radon (Rd),
un gas nobile secondo lo schema:
Con la radioattività alfa dall'atomo originario
vengono espulsi due protoni e due neutroni; il numero
di massa si riduce quindi di quattro unità. Questo
fenomeno riflette una instabilità strutturale
del nucleo "padre", un fenomeno spiegato all'inizio
degli anni '30 nel quadro della meccanica quantistica.
Nella radioattività di tipo gamma vengono emessi
i fotoni (quanti di luce) di altissima energia. L'origine
della radioattività beta invece rimase problematica
sino al lavoro di Fermi. I raggi beta sono elettroni,
ma da dove vengono? Prima della scoperta del neutrone
si credeva che il nucleo fosse composto da protoni ed
elettroni. In questo quadro il decadimento beta risulterebbe
quindi simile al decadimento alfa, cioè un riarrangiamento
dei componenti già presenti nel nucleo iniziale,
una vera e propria disintegrazione. La scoperta dei
neutroni portò rapidamente ad abbandonare questa
tesi. Alcune misure sulla spettroscopia delle molecole
d'azoto eseguite da Franco Rasetti nel 1929, avevano
già messo seriamente in crisi l'ipotesi della
presenza di elettroni nucleari. Questi risultati sono
citati nei lavori di Heisenberg del 1932 sulla nuova
teoria della struttura nucleare.
La radioattività beta poneva un problema ancora
più grave: gli elettroni non vengono emessi con
una singola energia ma con uno spettro di energie che
varia con continuità. La situazione è
ben diversa da quella che si riscontra nei decadimenti
radioattivi di tipo alfa o gamma, in cui l'energia della
particella emessa è determinata dalla differenza
di energia tra il nucleo iniziale e quello finale, ed
è quindi sempre la stessa per un dato tipo di
decadimento. Nella disintegrazione del radio ad esempio,
vengono emesse particelle alfa con un'energia di 4.88
MeV. Questo semplice argomento non funziona nel caso
del decadimento beta; Bohr era giunto a proporre che
in questo caso l'energia non fosse esattamente conservata.
La soluzione di questo problema fu trovata da Pauli:
nel decadimento beta non viene solamente emesso un elettrone,
ma anche una seconda particella che sfuggì ai
loro strumenti. Le due particelle emesse si suddividono
l'energia a disposizione, questo può venire in
proporzione differente, di modo che l'energia conferita
all'elettrone non sia univocamente determinata. La seconda
particella doveva essere neutra, altrimenti sarebbe
facilmente rilevata tramite il suo potere ionizzante,
e non poteva essere un fotone, poiché i dati
sperimentali sembravano escluderlo. Si doveva trattare
di una particella interamente nuova. L'ipotesi di questa
seconda particella sembrava fantasiosa a Pauli stesso.
Ne scrisse infatti solamente ai colleghi più
stretti dove chiamava questa particella neutrone. Nel
congresso sulla fisica nucleare tenutosi a Roma nel1931
ne parlò con Fermi che scherzosamente gli propose
il nome appropriato "neutrino" poiché
la sua massa doveva essere inferiore a quella del neutrone.
Nel 1932 tuttavia Fermi discuteva ancora della radioattività
beta in termini delle emissioni di particelle già
presenti nel nucleo; la soluzione avvenuta nel 1933
sarebbe stata radicalmente differente. Nell'ottobre
del 1933 il punto di vista moderno sulla struttura del
nucleo, composto da protoni e neutroni, ebbe la sua
sanzione ufficiale a Bruxelles nel corso della conferenza
Solvay. Nella discussione che seguì la relazione
di Heisenberg sulle forze nucleari, Pauli uscì
finalmente allo scoperto con alcuni commenti sulle ipotesi
del neutrino.
