STORIA E CURIOSITÀ
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Mattia Verzeroli
Le misure di raggi cosmici durante le eclissi di Sole del 1940-1941 Storia delle misure e della strumentazione
MEASURING COSMIC RAYS DURING THE SOLAR ECLIPSIS OF 1940-1941 The two solar eclipsis observed from São Paulo in 1940 and 1941, allowed the local research team led by Giuseppe Occhialini to measure possible effects on cosmic ray intensity. The papers kept in the Occhialini-Dilworth Archive shed new light on the analysis of those measures and devices used for the occasion: the cosmic ray telescope and disk counter. RIASSUNTO Le due eclissi di Sole osservate da São Paulo nel 1940 e nel 1941, permisero al locale gruppo di ricerca guidato da Giuseppe Occhialini di misurare un eventuale effetto sull’intensità dei raggi cosmici. I documenti conservati nell’Archivio Occhialini-Dilworth gettano nuova luce sull’analisi di quelle misure e sugli strumenti utilizzati per l’occasione: il telescopio per raggi cosmici e il contatore a disco.
INTRODUZIONE STORICA ALLA FISICA DELLA RADIAZIONE COSMICA
I raggi cosmici sono una radiazione che giunge sulla Terra provenendo dallo spazio [1]. La scoperta dei raggi cosmici è legata al fatto che un elettroscopio non è in grado di mantenere indefinitamente una carica elettrica. Nel 1897 i fisici vennero a conoscenza della quantizzazione della carica elettrica, grazie alla scoperta dell’elettrone da parte di Thomson. Molti esperimenti avevano mostrato, in maniera conclusiva, che il gas a contatto con l’elettroscopio è sempre ionizzato. Di conseguenza, l’elettroscopio viene gradualmente scaricato dagli ioni del gas. Si poneva, quindi, il problema di determinare la causa della ionizzazione del gas. Con la scoperta della radioattività da parte di Becquerel (1896), si pensò che la ionizzazione del gas fosse dovuta a tracce di sostanze radioattive presenti nello strumento. Tuttavia questa contaminazione non era sufficiente a spiegare completamente l’effetto. Si ipotizzò allora che la causa di questa ionizzazione fosse all’esterno dello
al suo interno, il tubo viene riempito con un gas a una pressione di circa 100 hPa. In condizioni operative, il filo è mantenuto a un potenziale positivo rispetto alle pareti del tubo, per mezzo di una batteria ad alta tensione. Quando all’interno del tubo avviene la creazione di una coppia di ioni, prodotta da una radiazione che penetra al suo interno, si genera un effetto a cascata che porta a un aumento del numero di ioni all’interno del gas. Gli ioni, risentendo del campo elettrico presente tra il filo e il tubo, si spostano verso filo o tubo a seconda della loro carica elettrica. Il filo è collegato a una resistenza e a un elettroscopio, tra di loro in parallelo, e successivamente a terra. L’elettroscopio segnala l’accumulo di ioni all’interno del tubo e si scarica quando la carica in eccesso giunge a terra attraverso la resistenza. Bothe e Kohlhörster installarono due contatori GM e notarono che, se i contatori venivano posti l’uno sopra l’altro e a breve distanza, erano spesso soggetti a una scarica simultanea che, supposero, veniva prodotta dagli elettroni secondari generati dai fotoni che avrebbero dovuto costituire la radiazione cosmica. Tuttavia misure successive mostrarono che tali elettroni non avevano energia sufficiente per giustificare i risultati delle misure. Ciò che permise di comprendere l’effettiva natura dei raggi cosmici furono gli studi legati all’influenza del campo magnetico terrestre su questa radiazione. I raggi cosmici incontrano il campo geomagnetico, prima di poter interagire con le molecole dell’atmosfera. Se i raggi cosmici fossero particelle elettricamente cariche, essi sarebbero deviati dal campo magnetico terrestre a
strumento, in particolare che fosse la radioattività della Terra. Per confermare tale supposizione, alcuni fisici eseguirono campagne di misura volte allo studio della velocità di scarica degli elettroscopi a differenti altitudini. In questo contesto, gli esperimenti più rilevanti furono quelli eseguiti a partire dal 1912 da Hess, che misurò la scarica degli elettroscopi a bordo di un pallone aerostatico. Hess scoprì che, dopo un’iniziale diminuzione della velocità di scarica, questa incominciava a crescere superati i 600 m, come se lo strumento si stesse avvicinando alla sorgente della ionizzazione. Altri fisici, come Millikan, ripeterono le misure di Hess confermandone i risultati. Fu proprio Millikan a chiamare “raggi cosmici” queste radiazioni ionizzanti. Millikan suppose inizialmente che i raggi cosmici fossero fotoni con energie maggiori rispetto a quelle finora conosciute. Tuttavia, tale ipotesi subì un duro colpo nel 1929, con gli studi di Bothe e Kohlhörster che utilizzarono per le loro ricerche il contatore di Geiger e Müller (GM): questo strumento consiste in un tubo metallico con Dip. di FIsica “Aldo Pontremoli”, un filo metallico teso lungo il suo asse. Università di Milano Dopo aver inizialmente creato il vuoto mattia.verzeroli@studenti.unimi.it T_M
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