Chi ha scoperto i raggi gamma? La cronologia documentata

In breve

• Paul Villard scoprì la radiazione gamma a Parigi nell’aprile 1900. I suoi appunti del 9 e del 30 aprile descrivono un fascio del radio che un magnete non riusciva a deviare e che attraversava 0,2 mm di piombo.
• Villard non diede ai raggi un nome nuovo. L’articolo di Rutherford del febbraio 1903 è il primo punto in cui abbiamo trovato la lettera gamma, e li definiva non deviabili da un campo magnetico e molto penetranti.
• Se i raggi gamma fossero particelle o onde rimase aperto per 14 anni. Il test con il magnete di Paschen, nel 1904, fissò un limite inferiore elevato per la massa di un’eventuale particella, e la risposta arrivò dai cristalli.
• Nel maggio 1914 Rutherford e Andrade fecero diffrangere sul salgemma i raggi gamma molli del radio B. Le loro righe diedero lunghezze d’onda da 0,079 a 0,137 nm, cioè energie dei fotoni di circa 9-16 keV.
• La storia ha dei punti ancora aperti. Becquerel mise in dubbio il risultato di Villard nell’aprile 1900, e il primo uso della parola gamma potrebbe precedere il 1903.

Chi ha scoperto i raggi gamma? Paul Villard, a Parigi nell’aprile 1900, mentre studiava il radio. Ernest Rutherford li battezzò nel 1903. Nel maggio 1914 Rutherford ed E. N. da C. Andrade mostrarono che i raggi gamma sono onde come i raggi X, facendoli diffrangere da un cristallo.

Questo articolo segue il formato della nostra serie datata, aperta da che cosa inventò Nikola Tesla. Ogni data qui sotto rimanda a un volume di rivista, a una scansione d’archivio o a un documento di un’agenzia. Dove la documentazione tace o è controversa, lo diciamo. Per una lettura più leggera sugli stessi raggi, vedi i nostri 12 fatti sui raggi gamma.

Cronologia dei raggi gamma: chi mostrò che cosa, e quando

Le date sono quelle delle sedute dell’Académie des sciences di Parigi o dei numeri della rivista. La data di un articolo è quella in cui fu letto o stampato, e può seguire l’esperimento. La scoperta di Becquerel del 1896 apre la storia raccontata nel nostro pezzo sul percorso verso la fissione nucleare.

Che cosa mostrò davvero ciascuno

Una scoperta raramente è un atto solo. Questa tabella distingue ciò che ciascuno misurò da ciò che la misura lasciava aperto.

Le due note di Villard, lette nell’originale

Villard lavorava nel laboratorio di chimica dell’École Normale Supérieure. Studiava come i raggi curvabili del radio si riflettono e si rifrangono, come fanno i raggi catodici. La sua prima nota, letta il 9 aprile 1900, descriveva un risultato strano. Un fascio rettilineo attraversava una lastra inclinata di alluminio senza rifrangersi.

Un magnete ne spiegò il motivo. I raggi si dividevano in due gruppi distinti, uno deviato e uno rettilineo. Il fascio rettilineo anneriva una lastra a 25 cm di distanza, dietro più fogli di carta nera e un foglio di alluminio. Attraversava inoltre una lastra di piombo spessa 0,2 mm.

La seconda nota, letta il 30 aprile, confrontava direttamente i due gruppi. Circa 1 cm di vetro fermava i raggi deviati e indeboliva appena quelli rettilinei. Una striscia di piombo spessa 0,3 mm cancellava la traccia del fascio deviato e attenuava soltanto l’altro. I raggi carichi perdono energia in modo continuo lungo il percorso, un processo trattato nel nostro approfondimento sulla distribuzione di Landau e la perdita di energia. Villard chiamò il fascio rettilineo i raggi X del radio, l’analogo di ciò che avviene in un tubo di Crookes.

I coniugi Curie avevano già descritto una componente che nessun magnete curva. Becquerel la descriveva come non deviabile e poco penetrante. Villard sostenne che i suoi raggi erano meno assorbibili di quelli, e la seconda nota ne fornisce la prova con le lastre.

Becquerel non accettò subito il risultato. Il 30 aprile disse all’Académie che l’esperimento di rifrazione di Villard non era conclusivo. Aggiunse che, se le osservazioni di Villard erano esatte, la causa del disaccordo poteva stare nel preparato di radio usato da Villard. Un’altra possibilità erano raggi deboli e molto penetranti come quelli dell’uranio, che si rivelano solo dopo una lunga esposizione. Il libro di Rutherford del 1905 attribuirà poi a Villard il merito di aver richiamato per primo l’attenzione su questi raggi e afferma che Becquerel confermò il risultato.

Chi li chiamò gamma, e quando

Rutherford aveva battezzato le prime due radiazioni nel gennaio 1899. Studiando l’uranio, scrisse che la radiazione è complessa. Una parte è assorbita molto facilmente e “sarà chiamata per comodità” radiazione alfa. La parte più penetrante è la radiazione beta.

La lettera gamma compare nel suo articolo del febbraio 1903 sui raggi alfa del radio. Il primo paragrafo elenca tre tipi di radiazione, e il terzo recita “I raggi γ, che non sono deviabili da un campo magnetico e hanno un carattere molto penetrante.” Anche l’AIP History catalog data il conio del nome al 1903. Nell’edizione del 1905 di Radio-activity scrive che i tre tipi “per brevità e comodità sono stati chiamati dall’autore” alfa, beta e gamma.

Abbiamo cercato nelle scansioni testuali dei volumi 1901 e 1902 del Philosophical Magazine e non abbiamo trovato usi precedenti. Il libro del 1905 cita anche un articolo del 1902 sulla Physikalische Zeitschrift dedicato ai raggi gamma di uranio e torio, che non siamo riusciti a consultare. Il 1903 è quindi la prima data che le nostre fonti sostengono, e non si può escludere un uso anteriore.

Luce o particelle? La discussione durata 14 anni

Dopo il 1900 i raggi avevano un test e un nome, ma non un’identità. Due risultati orientarono il dibattito. I primi esperimenti nei gas sembravano distinguere i raggi gamma dai raggi X, ma Rutherford osservò che i raggi X usati erano molto più molli dei raggi gamma. Nel 1904 Paschen cercò una deflessione in un campo magnetico molto intenso e non la trovò. Rutherford riferisce che particelle cariche a velocità prossime a quella della luce avrebbero allora richiesto una massa apparente di almeno 45 volte quella di un atomo di idrogeno.

Furono i cristalli a chiudere la questione. W. H. e W. L. Bragg e Moseley avevano mostrato che un cristallo separa i raggi X in base alla lunghezza d’onda. Rutherford e Andrade applicarono il metodo al radio. La loro sorgente era un tubo a pareti sottili di emanazione del radio; l’articolo indica circa 100 millicurie come esempio della sua intensità. Un’esposizione di 24 ore diede un’immagine marcata dai raggi gamma riflessi, dove i raggi X richiedono circa 10 minuti. Un forte magnete deviava le particelle beta che altrimenti avrebbero velato la lastra.

Le lastre mostrarono righe nette ad angoli fissi. Due righe forti cadevano quasi esattamente a 10° e 12° sul salgemma. Un secondo cristallo, lo spato pesante, diede le stesse righe dopo il riscalamento, e secondo gli autori questo mette “fuori dubbio” che siano vere righe di diffrazione. Poi eccitarono il piombo con raggi beta con lo stesso apparato e misurarono le sue righe a 10° 2′ e 12° 0′. Queste concordano con le righe forti del radio B. Gli autori concludono che il radio B ha la stessa carica nucleare del piombo, anche se il suo peso atomico è 214 contro 207.

Un cristallo separa le onde in base alla lunghezza d’onda. Righe ad angoli fissi, coincidenti con le righe X del piombo, collocano questi raggi gamma nella stessa famiglia dei raggi X. Questa è la nostra lettura del risultato. L’articolo riporta lunghezze d’onda e spettri a righe e non usa la parola elettromagnetico.

Dall’angolo alla lunghezza d’onda all’energia

La relazione di Bragg per il primo ordine è lunghezza d’onda = 2 × d × sin θ. Rutherford e Andrade presero per il passo reticolare del salgemma d = 2,814 × 10⁻⁸ cm da Moseley. L’energia del fotone segue dalla relazione del NIST per cui 1 eV corrisponde a 8,065544 × 10⁵ metri reciproci. Quindi l’energia in eV è 1 diviso il prodotto della lunghezza d’onda in metri per 8,065544 × 10⁵.

Le tre righe molli danno da 9,08 a 15,6 keV, che è territorio dei raggi X. L’ultima riga mostra perché i raggi più duri erano difficili da misurare. A circa 1° la riga di diffrazione cade, secondo gli autori, poco più di 3 mm dal centro della banda diretta sulla lastra.

Dopo il 1914: i fotoni e il cielo

Nel maggio 1923 Arthur Compton pubblicò una teoria quantistica della diffusione dei raggi X, in cui un quanto di radiazione porta con sé quantità di moto oltre che energia. Con l’era spaziale gli astronomi dei raggi gamma contavano i singoli fotoni. Explorer XI fu lanciato il 27 aprile 1961 per individuare le sorgenti di raggi gamma di alta energia. Kraushaar e Clark scrissero nel 1962 che meno di 100 fotoni energetici avevano dato la prima occhiata, e che il campione da loro discusso contava 22 eventi.

I lampi gamma nacquero da un programma diverso. I satelliti Vela partirono nell’ottobre 1963 per verificare il rispetto del trattato sul divieto dei test nucleari. Vela 4a e 4b registrarono il 2 luglio 1967 un evento che Klebesadel considera il primo lampo osservato. Il suo gruppo pubblicò 16 lampi nel 1973. Lo stesso programma è al centro del nostro articolo sull’incidente Vela e la fisica del bhangmeter.

Dove la documentazione è incerta

Il primo uso del nome gamma è la data più incerta. Il primo uso a stampa che siamo riusciti a consultare è del febbraio 1903, ma il libro di Rutherford rimanda a un articolo del 1902 che non abbiamo potuto leggere.

Anche il ruolo di Becquerel non è chiaro. Rutherford cita la nota di Becquerel a pagina 1154 come conferma di Villard. La nota a quella pagina si legge invece come una contestazione, e non abbiamo verificato gli articoli successivi di Becquerel.

Anche le date della scoperta variano a seconda della fonte. Physics Today scrive che Villard presentò i risultati nell’aprile e nel maggio 1900. Il volume dei Comptes rendus mostra le sue due note nelle sedute del 9 e del 30 aprile. Physics Today aggiunge che il lavoro all’inizio suscitò poca attenzione. La storia della scoperta di Gerward del 1999 è indicata tra le fonti come lettura di approfondimento.

Infine, “scoperto” va usato con cautela. Villard vide una componente della radiazione del radio e la paragonò ai raggi X. Non rivendicò una nuova specie di raggi né le diede un nome. Il nome lo diede Rutherford, e la fisica la fornirono gli spettri su cristallo del 1914.

Fonti

• Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 122 (gennaio-giugno 1896), Becquerel, pp. 501 a 503, scansione Internet Archive
• Rutherford, Uranium radiation and the electrical conduction produced by it, Philosophical Magazine 47, gennaio 1899, pp. 109 a 163, scansione Internet Archive
• Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 130 (gennaio-giugno 1900): Villard pp. 1010 a 1012 e 1178 a 1179, Becquerel pp. 979 e 1154 a 1157, scansione Internet Archive
• Rutherford, The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium, Philosophical Magazine (6) 5, febbraio 1903, p. 177, scansione Internet Archive
• Rutherford, Radio-activity, seconda edizione, Cambridge University Press, 1905, Project Gutenberg
• AIP History of Physics catalog, Villard, Identification of gamma radiation
• Rutherford e Andrade, The wave-length of the soft γ rays from radium B, Philosophical Magazine 27, maggio 1914, pp. 854 a 868, scansione Internet Archive
• Rutherford e Andrade, The spectrum of the penetrating γ rays from radium B and radium C, Philosophical Magazine 28, agosto 1914, pp. 263 a 273, scansione Internet Archive
• Compton, A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements, Physical Review 21, 483 (1923)
• NASA NSSDCA, S 15 (Explorer 11), 1961-013A
• Scientific American, Kraushaar e Clark, 1962, ripubblicato in 50, 100, 150 years ago
• NASA, A brief history of the discovery of cosmic gamma-ray bursts
• NIST CODATA, relazione tra elettronvolt e metro inverso
• Physics Today, Paul Villard
• Gerward, Paul Villard and his discovery of gamma rays, Physics in Perspective 1, 367 a 383 (1999), lettura di approfondimento