Mancando di carica elettrica, i neutroni scivolano agevolmente entro gli atomi, e subiscono scarsa influenza da parte degli elettroni che circondano il nucleo, cosi' da raggiungere la parte esterna di quest'ultimo. In prossimita' del nucleo, carico positivamente, il campo elettrico e' fortissimo; percio' un protone, che subisce una forte repulsione, potrebbe giungere al nucleo solo in virtu' di un moto molto rapido. Sul neutrone invece, quell'intenso campo elettrico ha, in pratica, scarso effetto; per quanto il neutrone si muova lentamente, esso puo' raggiungere il nucleo.
Il neutrone puo' rimbalzare sulla superficie nucleare, ma puo' anche penetrare nel nucleo, esserne assorbito, e rivelare questo assorbimento con una sorprendente trasformazione. Pensiamoci un momento e vedremo come si manifesta questa "cattura" del neutrone. Quando assorbe un neutrone, l'atomo non cambia la propria natura chimica; infatti l'aggiunta di un neutrone altro non fa che produrre un nuovo isotopo dello stesso elemento chimico. Cosi' l'alluminio ordinario (formula Al27) quando ha assorbito un neutrone diventa alluminio-28 (formula Al28): c'e' una unita' in piu' di peso, ma nessun mutamento delle proprieta' chimiche ordinarie. D'altro canto e' invece assai grande il mutamento all'interno del nucleo: mentre Al27 ha grande stabilita', l'atomo di Al28 e' radioattivo ed emette un elettrone energetico che si chiama raggio beta. La figura 20 illustra le importanti mutazioni nucleari che sono avvenute in questa catena di fenomeni.
Fig. 20. Qui si illustrano
i mutamenti nucleari che avvengono quando l'alluminio stabile
(Al27) assorbe un neutrone. Il radioisotopo
instabile dell'alluminio (Al28) si forma, poi si
decompone emettendo una elettrone, e da questo nasce il
silicone (Si28).
L'energia ceduta sotto forma di raggio beta in rapido movimento viene dalla massa che si aggiunge quando accade l'assorbimento del neutrone. Parte della massa aggiunta si converte in energia quando viene emessa una particella radioattiva, e la perdita di una piccolissima quantita' di massa produce molta energia. Vedremo presto l'enorme importanza che ha per la scienza, la medicina e l'industria, la radioattivita' derivante dalla cattura del neutrone; per il momento ci interessa soltanto il fatto che l'assorbimento del neutrone puo' scoprirsi con facilita' grazie all'emissione di radiazioni da parte di quel nucleo che cattura il neutrone.
La trasformazione di atomi stabili in forme radioattive mediante cattura di neutroni e' un fenomeno di importnza fondamentale e di facile osservazione. Proprio per questo molti scienziati si misero a studiare la cattura del neutrone da parte del nucleo, subito dopo la scoperta del neutrone medesimo. Fra gli altri Enrico Fermi, il quale, coadiuvato da un piccolo gruppo di fisici italiani (i ragazzi di Via Panisperna), scopri' la piu' sorprendente fra le proprieta' di comportamento del neutrone. I neutroni si lasciavano catturare dei nuclei molto piu' facilemente se prima venivano rallentati facendoli passare attraverso l'acqua o attraverso un'altra sostanza contenente atomi di idrogeno. A prima vista questo parve un enigma, ma presto fu chiaro che si era in quel modo dimostrata una delle proprieta' piu' fondamentali delle particelle.
Il motivo della maggiore efficacia del neutrone nelle reazioni nucleari dimostrava definitivamente che la lunghezza d'onda del neutrone (che, come abbiamo visto e', di fatto, la sua grandezza) cresce con il diminuire della velocita'. E il fatto che, diminuendone la velocita', aumentava il numero dei neutroni catturati dimostrava, in modo conclusivo ed evidentissimo, che il neutrone poteva comportarsi anche in senso ondulatorio, oltre che come particella materiale (come tale, infatti, era stato scoperto). Rallentando la velocita' del neutrone, cresce la sua lunghezza d'onda, e cioe' diviene piu' ampia. Non c'e' da meravigliarsi quindi se, quanto piu' grande e' il neutrone, tanto maggiori probabilita' esso ha di colpire il nucleo e di esserne assorbito. La figura 21 mostra che il nucleo e' in effetti circondato da un grosso volume nel quale possono venir catturati i neutroni lenti; questo volume che puo' parere enorme rispetto al volume nucleare. Questi primi esperimenti sui neutroni furono la verifica definitiva delle proprieta' ondulatorie previste dalla meccanica quantistica.
Fig. 21. La cattura del neutrone
da parte di un nucleo e' piu' probabile quando di rallentano
i neutroni. Il relativo aumento di lunghezza d'onda (di
"grandezza") del neutrone consente la cattura, ove
il neutrone passi accanto al nucleo.
Una volta scoperto che rallentando i neutroni se ne aumentava la capacita' di assorbimento entro i nuclei, era piu' facile per Fermi e per i suoi collaboratori concludere che pressoche' ogni elemento poteva diventare radioattivo, se bombardato con i neutroni. E oltre a dimostrare le proprieta' quantistiche delle particelle, la cattura dei neutroni lenti ha assunto un valore enorme perche' grazie ad essa si producono sostanze radioattive. Queste sostanze radioattive, o radioisotopi, ormai sono disponibili in grande quantita', grazie al numero enorme di neutroni presenti nei reattori nucleari; ed hanno molteplici applicazioni quali strumenti scientifici.