POSITRONE

POSITRONE

. Si chiama positrone o elettrone positivo una particella di massa elettronica e carica positiva. È stato scoperto durante ricerche sulla radiazione penetrante eseguite con camera del Wilson (v. radioattività) accoppiata con campo magnetico.

Questa tecnica che fu impiegata originariamente da H. Skobeltzyn per la misura delle energie delle particelle beta emesse da sostanze radioattive (1929), fu ripresa in seguito, per lo studio dei raggi cosmici (già Skobeltzyn aveva casualmente trovato nelle sue fotografie delle particelle appartenenti alla radiazione penetrante) da C. D. Anderson, P. Kunze, P. M. S. Blackett e G. P. S. Occhialini.

Nell'apparato di Anderson e di Kunze le fotografie venivano prese a caso, producendo l'espansione a intervalli regolari; così in ogni 40 fotografie si trovava in media la traccia di un corpuscolo, appartenente alla radiazione penetrante. Il campo magnetico impiegato era di 20.000 gauss: si arrivava in queste esperienze a misurare energie fino a un miliardo di Volta elettrone. Nell'apparato di Blackett e Occhialini la camera del Wilson era posta fra due contatori di Geiger e Müller in modo che ogni particella producente una coincidenza fra i due passava anche attraverso la camera. L'impulso elettrico dovuto alla scarica simultanea dei due contatori, enormemente amplificato, comandava allora una serie di relais e arrivava a produrre l'espansione dopo un brevissimo intervallo di tempo dal passaggio della particella. Questa veniva fotografata.

Le prime prove sperimentali sull'esistenza di un elettrone positivo si debbono ad Anderson (settembre 1932). Egli descrisse alcune fotografie (del tipo della fig.1), nelle quali si vedono tracce di corpuscoli prodotti nei fenomeni della radiazione penetrante, che dal verso della deviazione, per effetto di un campo magnetico, debbono interpretarsi come dovute a corpuscoli carichi positivamente; mentre la massa risulta essenzialmente minore di quella del protone; poco dopo (febbraio 1933) Blackett e Occhialini pubblicarono un'ampia documentazione fotografica (la fig. 2 rappresenta una di queste fotografie) sull'esistenza della nuova particella.

Nella fig. 1 una particella passa attraverso a uno schermo di piombo, in presenza del campo magnetico: la curvatura della sua traiettoria è più grande al disotto del piombo che al disopra, ossia la sua energia cinetica è maggiore al disotto che al disopra; essa va dunque dal basso verso l'alto. Ma allora, per quello che è il senso del campo, essa non può essere un protone perché per l'energia corrispondente alla curvatura che possiede, la sua ionizzazione specifica sarebbe tanto alta che la particella esaurirebbe la sua traiettoria in pochi centimetri di aria, e non sarebbe in grado di attraversare la lastra di piombo. Invece la sua ionizzazione è press'a poco la stessa di quella dell'elettrone: deve essere perciò un elettrone positivo.

La fig. 2 rafforza la medesima conclusione: essa mostra uno sciame di particelle cosmiche che devono andare tutte verso il basso perché divergono da un medesimo punto; a seconda del senso della loro curvatura esse sono quindi cariche positivamente o negativamente. Al solito tra esse non vi possono essere dei protoni, perché la densità di ionizzazione delle particelle che risultano positive è assolutamente indistinguibile da quella delle altre che compongono lo sciame.

Qual'era l'origine di queste particelle? Tre ipotesi erano possibili: o esse facevano parte della radiazione incidente, o esistevano già nei nuclei e ne erano state proiettate fuori nel processo della collisione, o addirittura erano state generate in questo processo.

Dal momento che mancava ogni prova indipendente della loro esistenza come particelle separate, era ragionevole di adottare l'ultima ipotesi, e questo fu fatto da Blackett e Occhialini che, guidati dalla teoria del fisico inglese P. A. M. Dirac, proposero di interpretare l'apparizione di queste particelle come dovuta a un processo di creazione di materia dall'energia. Questo concetto era già contenuto nel principio dell'equivalenza di massa ed energia di Einstein

E = mc²

ma fino a quel momento erano state osservate solo trasformazioni di materia in energia e mai il processo inverso.

L'accettazione di questo punto di vista conduceva, attraverso a facili deduzioni, basate su semplici principî fisici, alle conclusioni seguenti:

1. Se le particelle positive vengono create da un agente esterno senza che il nucleo vi prenda parte, per conservare la carica elettrica è necessario che contemporaneamente appaia anche un elettrone negativo.

2. Per produrre una tale coppia di particelle di massa elettronica la formula di Einstein prevede una spesa di energia uguale a

(m₁ * m₂)c² = 2mc² = 1,2 • 10⁶ eV

dove m₁ e m₂ = m è la massa a riposo delle due particelle.

3. Dualmente è necessario ammettere che l'elettrone positivo e il negativo possano reagire l'uno con l'altro e annullarsi emettendo dei raggi gamma. Questo equivale ad attribuire all'elettrone positivo una vita assai corta, almeno quando sia circondato da materia alla densità ordinaria.

La previsione 1 è stata confermata sperimentalmente da Anderson e Neddermeyer, Blackett, Chadwick e Occhialini, Curie e Joliot, Meitner e Philipp che hanno messo in evidenza come anche i raggi gamma del ThC″emettono elettroni positivi e negativi in coppie.

La radiazione del ThC″ si presta mirabilmente per investigare anche la correttezza dell'ipotesi 2, perché il ThC″ è il solo elemento radioattivo che emetta raggi gamma di alta energia praticamente omogenei (2,62 • 10⁶eV). L'esperienza ha dimostrato che l'energia cinetica somma delìe energie dei singoli componenti le coppie non supera 1,60 • 10⁶eV come ci si dovrebbe appunto aspettare se il raggio gamma fosse scomparso spendendo 1,02 • 10⁶eV per la creazione della coppia e il resto della sua energia (1,60 • 10⁶eV) per dare velocità ai due elettroni.

Curie e Joliot, e indipendentemente Thibaud, usando il metodo di focalizzazione di Thibaud-Villard, hanno verificato l'ipotesi 3, dimostrando l'esistenza della radiazione di annichilamento degli elettroni positivi con i negativi.

Oltre ai raggi gamma, sorgenti di elettroni positivi sono forse anche le sostanze di radioattività beta (Skobeltzyn, Blackett, Chadwick e Occhialini) o i neutroni per azione secondaria (Blackett, Chadwick e Occhialini). Più in generale elettroni positivi possono essere generati successivamente nell'urto di particelle pesanti cariche (particelle alfa protoni e deutoni) contro certi nuclei. Curie e Joliot, che hanno scoperto questo fenomeno, hanno anche dimostrato che questa emissione è la manifestazione di un nuovo tipo di radioattività.