La scoperta e le prime misure

PANORAMA DI FINE '800

La storia dei raggi cosmici ha inizio alla fine dell'Ottocento : un periodo molto ricco di nuove scoperte che aprono mondi e scenari completamente nuovi sulla natura degli elementi ultimi che costituiscono la materia.

La scoperta dei raggi cosmici avviene infatti negli stessi anni in cui si scopre la radioattività (1896) ed in cui Thompson in un celebre esperimento (1897) mette in luce l'esistenza di una particella subatomica, l'elettrone.  Quest'ultimo era una componente dell'atomo: quest'ultimo cessava dunque di essere "indivisibile" e mostrava di possedere una struttura interna. Nasce così negli anni successivi la fisica atomica che avrà come obiettivo quello di comprendere quali fossero le particelle che costituivano gli atomi e come interagissero tra loro.

L'elettrone viene da subito identificato anche come la particella portatrice dell'unità fondamentale di carica elettrica negativa. Dalla chimica che si era sviluppata del '700  i fisici avevano infatti  compreso che la materia è composta da atomi e che la carica elettrica ha una struttura "granulare", si presenta cioè solo in multipli interi di una carica elementare indivisibile: l'elettrone appunto.

ESPERIMENTI CON GLI ELETTROSCOPI : L'ARIA È SEMPRE IONIZZATA!

"La maggior parte delle scoperte scientifiche germoglia da semi che giacciono ignorati da lungo tempo. La scoperta dei raggi cosmici non fu un'eccezione" (B.Rossi) 

Tutto ha inizio da un'osservazione quasi banale: che l'aria è sempre leggermente  "ionizzata", contiene cioè una piccola percentuale di elettroni liberi e di ioni positivi (atomi che hanno perso uno o più elettroni). 

I primi esperimenti vengono effettuati utilizzando uno strumento molto semplice: l'elettroscopio. Questo bel video, realizzato dal museo Galileo di Firenze ne illustra il principio di funzionamento

http://catalogo.museogalileo.it/multimedia/ElettroscopioFoglieOro.html

Già nel 1785 Coulomb si accorge che una volta caricato l'elettroscopio spontaneamente si scarica: questo significa che qualche carica di segno opposto a quella delle foglioline le ha raggiunte. In un elettroscopio ordinario la carica sfugge attraverso il tappo isolante che separa l'asticina dal contenitore. Prima Coulomb e poi Faraday (1835) effettuano esperimenti isolando sempre meglio le foglioline dall'esterno ma l'elettroscopio continua a scaricarsi.

Nel 1879 Crookes si accorge che la velocità di scarica diminuisce se si riduce la pressione dell'aria contenuta nell'ampolla: questo lo porta a concludere che è l'aria stessa ad essere ionizzata. Anche cambiando il gas contenuto nell'ampolla però il risultato non cambia: l'elettroscopio continua a scaricarsi.

Nei primi anni del '900 vengono condotto diversi esperimenti schermando gli elettroscopi con contenitori metallici (1900 :Wilson - Geitel ) oppure con acqua ( 1903 McLennan e Burton utilizzano uno schermo di 120 cm d'acqua ottenendo una riduzione del 40% della ionizzazione) ed i risultati indicano chiaramente che la velocità di scarica diminuisce ma che comunque permane. Quindi i risultati sono due:  gli agenti che ionizzano l'aria nell'ampolla arrivano dall'esterno dell'ampolla, per questo schermando l'ampolla la velocità con cui la foglioline si scaricano diminuisce. Tuttavia parte della radiazione ionizzante riesce ad attraversare la schermatura e a raggiungere l'ampolla.

Poiché da pochi anni si era scoperta la radioattività e si sapeva che che particelle radioattive hanno la capacità di ionizzare la materia che attraversano, una delle un'ipotesi che si fa strada è che la radiazione ionizzante possa essere originata da materiale radioattivo nella crosta terrestre.

L'altra ipotesi è invece che gli agenti ionizzanti arrivino dall'alto, da cielo. All'inizio del '900 in diverse località d'Europa si effettuano molteplici esperimenti per riuscire a comprendere quale delle due ipotesi fosse quella corretta e la strada da percorrere era quella di confrontare osservazioni effettuate ad altitudini diverse: se la radiazione arrivava dalla terra avrebbe dovuto diminuire con l'altezza.

LA RADIAZIONE ARRIVA DALL'ALTO ?

Per sottoporre le due ipotesi a prove sperimentali sempre più precise si costruirono elettroscopi sempre più raffinati rispetto a quelli del vecchio tipo a foglia d'oro. 

Gli strumenti di misura disponibili erano infatti ancora difficili da trasportare, occorreva un'idea innovativa su come condurre le misure. A questa esigenza rispose il lavoro dello scienziato tedesco Padre Theodor Wulf  nel 1909: egli sostituì le foglie d'oro a due sottilissimi fili metallici tenuti in tensione da una fibra di quarzo. Quando venivano caricati i due fili si respingevano e l'entità della separazione poteva essere misurata per mezzo di un microscopio. Wulf provò il suo elettroscopio misurando la ionizzazione in vari luoghi della Germania. 

Nel 1909  Wulf portò uno dei sui elettroscopi sulla torre Eiffel a circa 300 metri d'altezza ma come riportò lui stesso " a circa 300 m l'intensità della radiazione diminuisce della metà del suo valore a terra" mentre nell'ipotesi che la radiazione emergesse da terra ci si aspettava che la radiazione sulla cima della torre fosse "solo una piccola percentuale della radiazione a terra"

Si cominciò così a pensare ai voli in mongolfiera per poter comprendere meglio gli effetti dell'altitudine. In quel periodo gli esperimenti su pallone aerostatico erano già ampiamente utilizzati per gli studi sull'elettricità atmosferica.

Il primo volo in pallone per lo studio della natura della radiazione fu effettuato in Svizzera nel Dicembre del 1909 da Gockel che usò uno strumento simile a quello sviluppato da Wulf in un'ascensione in pallone effettuando misure fino a 3000 m. Anche ne suo caso tuttavia la radiazione non diminuiva con l'altezza come ci si attendeva. In effetti Gockel era stato particolarmente sfortunato: calcoli successivi dimostrarono infatti che se la radioattività venisse in parte dalla terra ed in parte dall'alto fino a 3000 m la decrescita della radioattività proveniente da terra potrebbe essere compensata dalla crescita della radioattività proveniente dall'alto.

Bisognerà attendere il volo più fortunato compiuto da Hess nel 1911 per avere una risposta definitiva sull'origine terrestre o extraterrestre della radiazione ionizzante.

Bibliografia: De Angelis "L'enigma dei raggi cosmici"