Una volta stabilito esistenza e massa del neutrone, immediata fu la soluzione del faticoso problema della struttura nucleare. La difficolta' che si legava al peso eccessivo di tutti i nuclei piu' pesenti dell'idrogeno era superata, grazie al presupposto che questi nuclei contenessero un numero opportuno di neutroni. Era chiaro cosi' che l'elio conteneva nel suo nucleo due protoni e due neutroni, e che attorno al nucleo ruotavano due elettroni. In tal modo il numero di massa dell'elio doveva essere quattro, mentre la carica sul suo nucleo era due. Cosi' l'ossigeno, con numero di massa eguale a sedici, ma con una carica di otto unita' soltanto, doveva avere un nucleo contenente otto neutroni e otto protoni, circondato da otto elettroni. Non solo: non esisteva nemmeno il problema della "grandezza" del neutrone, perche' la sua massa, grande in rapporto all'elettrone, implica una lunghezza d'onda molto inferiore, e gli consente di entrare comodamente nel nucleo. La figura 6 mostra la struttura di alcuni fra i nucleo piu' leggeri, in termini di neutroni e di protoni.
Fig. 6 I componenti
nucleari di alcuni atomi leggeri: qui li vediamo senza i loro
elettroni. Il numero degli elettroni che circondano ciascun
nucleo e' uguale alla carica nucleare, e l'atomo normale, nel
suo complesso, ha carica zero.
La scoperta giovava a spiegare - e con grande semplicita' - un altro mistero quello degli isotopi. Si sapeva da tempo che gli atomi di determinato elemento - per esempio il cloro - non avevano tutti lo stesso identico peso, pur avendo le stesse proprieta' chimiche. Anzi, si riusciva, con complessi metodi elettrici e meccanici, a separare gli atomi di un determinato elemento in classi di diverso peso e di diverso numero di massa. Il cloro, sempre nel nostro esmepio, si scindeva in due classi distinte di atomi, o isotopi, alcuni con numero di massa 35, altri con numero di massa 37. L'uranio, composto in genere di atomi di massa 238, in taluni altri casi conteneva anche atomi di massa 235. Questi diversi tipi di atomi dello stesso elemento, questi ispotopi, difficilemente avrebbero potuto spiegarsi senza il neutrone. Scoperto il neutrone, il problema cadeva. Gli isotopi di uranio, ovviamente, debbono avere lo stesso numero, 92, di protoni nel proprio nucleo, perche' tutti gli atomi di uranio contengono 92 elettroni. Gli isotopi piu' pesanti sono tali unicamente perche' hanno piu' neutroni, cioe' 146 nel caso dell'U238, rispetto ai 143 dell'U235. E quasi tutti gli elementi hanno diversi isotopi: quelli dell'ossigeno si vedano alla figura 7.
Fig. 7 Gli isotopi
dell'ossigeno, tutti rappresentati senza i loro elettroni:
differiscono nella massa ma hanno proprieta' chimiche
identiche. Ognuno ha lo stesso numero di protoni.
Si sapeva anche che gli isotopi piu' diversi, in quanto al peso, dai tipi ordinari di atomi sono spesso instabili, ed assumono forma stabile emettendo radiazioni penetranti, elettroni per esemepio o raggi gamma. Era facile, ora dar la spiegazione di questi radioisotopi; bastava considerarli quali isotopi con un numero di neutroni insolitamente grande, oppure insolitamente piccolo. Infatti ad ogni numero di protoni nel nucleo corrisponde un egual numero di neutroni che si combineranno per dar luogo al nucleo piu' stabile. La forma piu' comune, cioe' piu' stabile, di un determinato elemento contiene, approssimativamente, questo numero di neutroni. Se invece i neutroni sono in numero molto maggiore o molto minore del valore "ideale", avremo un nucleo instabile, cio' un radioisotopo. Come vedremo questi radioisotopi hanno assunto importanza grande nella scienza, nella medicina e nell'industria, per l'estrema facilita' con cui si possono produrre in gran numero nei reattori nucleari. I radioisotopi si producono aggiungendo neutroni agli isotopi stabili, mutando cioe' il rapporto tra neutroni e protoni e causando in tal modo una condizione di instabilita'.
Abbiamo fin qui dunque visto come la scoperta del neutrone consentisse subito di risolevere i vecchi problemi dell'esistenza degli isotopi e dalla costituzione del nucleo. Gia' agli inizi della sua carriera, la minuscola particella faceva intendere il suo duplice compito: quale versatile strumento di scienza pura, utilissimo per intendere la struttura della materia; quale origine di innumerrevoli applicazioni pratiche: la produzione dei radioisotopi era soltanto la prima di esse.