di Laura Luigia Martini*
La neutronica è quel ramo della fisica nucleare che studia l’interazione con la materia, il comportamento e le applicazioni dei neutroni, particelle subatomiche con carica elettrica nulla. Teorizzato da Ernest Rutherford nel 1920 e scoperto da James Chadwick nel 1932, il neutrone è formato da un numero dispari di quark, per la precisione tre (due down e uno up) il che lo colloca nel gruppo dei barioni, mentre lo spin semi-intero lo associa alla famiglia dei fermioni, per cui il neutrone segue la statistica o distribuzione di Fermi-Dirac negli stati di energia per un sistema in equilibrio termico. Se isolato il neutrone è una particella instabile, soggetta a decadimento beta negativo, a seguito del quale dà origine a un protone, un elettrone e un antineutrino, mentre l’energia liberata si manifesta come energia cinetica delle particelle generate dal decadimento stesso. Quanto alla massa del neutrone, essa è di poco superiore a quella del protone, insieme al quale costituisce il nucleo atomico stabilizzandolo e mantenendo uniti i protoni carichi positivamente grazie alla forza nucleare forte, il che impedisce lo sfaldamento degli stessi nuclei per effetto della repulsione tra protoni carichi. Grazie alla neutralità elettrica, il neutrone è in grado di studiare la materia, penetrando profondamente in essa senza subire significative interazioni elettromagnetiche, indagandone la struttura molecolare e le vibrazioni atomiche che sarebbero opache a qualsiasi altra sonda.
È inoltre un piccolo dipolo magnetico poiché, pur non avendo una carica netta, esso è composto da particelle cariche, i quark, ed è dotato di spin per cui ha una direzione e un orientamento magnetico proprio come una piccola bussola. Una particella versatile, dunque, che possiede sensibilità isotopica e interagisce in maniera diversa con i nuclei degli isotopi, che differiscono per numero di neutroni.
Tra le tecniche di indagine della materia mediante neutroni, la diffrazione neutronica, o scattering elastico, si realizza ponendo un campione di materiale sotto un raggio di neutroni di opportuna energia, il che consente di ottenere una figura di diffrazione che fornisce informazioni sulla struttura del materiale stesso, come la disposizione degli atomi in un cristallo e i momenti magnetici, similmente a quanto avviene con i raggi X, ma le informazioni sono complementari. Nello scattering elastico il neutrone urta il bersaglio modificando la propria direzione, ma l’energia rimane invariata. Al contrario, nello scattering anelastico i neutroni trasferiscono una certa quantità di energia ai nuclei atomici provocando vibrazioni dei reticoli cristallini, oscillazioni intorno alle posizioni di equilibrio che si propagano come onde. In fisica dello stato solido lo scattering dei neutroni è utilizzato per l’analisi delle proprietà dei fononi, quasiparticelle che descrivono un quanto di vibrazione e il cui studio consente di indagare molte proprietà dei solidi, tra cui il calore specifico, la conduzione termica, quella elettrica e la propagazione del suono, mentre dal punto di vista della meccanica quantistica, anche i fononi osservano il cosiddetto dualismo onda-particella, come evidente nei processi si scattering di Brillouin e Raman dove l’interazione tra fotoni e fononi è matematicamente descritta da un semplice urto.
In questo contesto la spettroscopia neutronica, che combina l’uso dei neutroni con i principi spettroscopici per studiare la struttura atomica, molecolare e magnetica dei materiali, è sostanzialmente un termine più ampio che include sia lo scattering elastico che quello anelastico dei neutroni.
Proseguendo nella descrizione delle varie tecniche di indagine della neutronica, va menzionata l’attivazione neutronica, che consiste nell’induzione secondaria di radioattività in materiali investiti da fasci di neutroni: i nuclei atomici catturano i neutroni liberi e passano ad uno stato eccitato diventando isotopi radioattivi ed emettendo poi radiazione gamma ad energie caratteristiche degli elementi attivati. Metodi spettroscopici misureranno poi energia e intensità dei raggi gamma emessi per identificare la presenza e la quantità degli elementi nel campione originale. Come osservato dall’ENEA, l’attivazione neutronica è un metodo di analisi chimica quantitativa basata proprio sull’attivazione nucleare degli elementi presenti nei campioni analizzati. E tale tecnica è particolarmente significativa nell’ambito della fisica dei materiali, poiché ci consente di comprendere come si degradano i materiali all’interno dei reattori nucleari a causa dell’esposizione ai neutroni.
Fra i numerosi ambiti industriali dell’ingegneria in cui la fisica dei neutroni ha un forte impatto, vale la pena citare il settore automotive, nel quale la neutronica può migliorare qualità, sicurezza e sostenibilità della componentistica direttamente durante le fasi di progettazione, produzione e controllo finale. Tale processo include la progettazione assistita mediante simulazioni neutroniche con codici Monte Carlo, che consentono di prevedere il comportamento dei materiali sotto stress, calore o irraggiamento, così come la tecnica di imaging tridimensionale o tomografia neutronica viene impiegata per il controllo di qualità in linea, la verifica di saldature, giunti, compositi e batterie, il rilevamento di difetti e non solo. La neutronica consente di verificare anche durabilità e resistenza all’usura dei materiali coinvolti nel settore automobilistico e motoristico, di supportare l’economia circolare mediante la verifica della qualità di materiali riciclati o rigenerati e di ridurre gli scarti nonché ottimizzare la manutenzione predittiva. Aziende d’eccellenza come Maserati o Ferrari beneficerebbero certamente dell’analisi neutronica su componenti ad alte prestazioni, mentre ENEA ha applicato questa tecnologia nucleare per test su batterie al litio.
E la neutronica potrebbe essere particolarmente preziosa perfino per lo sviluppo di mescole avanzate, pneumatici green e nel perfezionamento e monitoraggio intelligente di pneumatici sportivi e premium per aziende leader come Pirelli.
In ambito nucleare, i neutroni prodotti nella fissione innescano una reazione a catena che dà origine alla generazione di ulteriori fissioni, reazione sostenuta da moderatori di neutroni per rallentare quelli veloci fino a renderli termici, mentre le barre di controllo assorbono i neutroni in eccesso e controllano la velocità della reazione a catena onde prevenire il surriscaldamento o indurre l’arresto completo del reattore.
I neutroni prodotti nella fusione sono invece dotati di elevatissima velocità, per cui è necessario l’impiego di pesanti schermature per contenere il fenomeno di attivazione. Essi sono anche una grande fonte di calore e vengono sfruttati per produrre energia elettrica nonché trizio attraverso reazioni di cattura neutronica del litio.
Risulta chiaro come farsi affascinare da questa branca della fisica nucleare non sia difficile, soprattutto se sei uno studente di ingegneria imbevuto fino al midollo di fisica teorica come lo ero io al quarto anno del corso di laurea in Ingegneria Nucleare, e specialmente se il docente che insegna Fisica dello Stato Solido si chiama Giuseppe Caglioti, l’ultimo pioniere della neutronica italiana, ex-alunno e poi strettissimo collaboratore di Edoardo Amaldi. Sì, sto parlando esattamente del Professor Amaldi, colui che insieme a un manipolo di giovani scienziati guidati da Enrico Fermi operava presso il Regio Istituto dell’Università di Roma, al civico 90 di via Panisperna dagli anni ’30, con strabilianti risultati nell’ambito della fisica nucleare. Inutile dire che sono molto orgogliosa che la mia formazione venga proprio da lì. Il Professor Caglioti aveva ottenuto, dopo la specializzazione in Fisica Nucleare, il Diploma della Nuclear School of Science and Engineering presso l’Argonne National Laboratory (Illinois, USA) e poi aveva lavorato presso la sorgente dell’Atomic Energy of Canada Ltd con Bertram Brockhouse, poi insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1994. Fu proprio Edoardo Amaldi a rivolere Caglioti in Italia, richiamandolo nel suo Paese d’origine con una severa lettera; una fortuna per l’Italia che non perse una delle sue più brillanti menti, una fortuna per me che lo conobbi proprio a Milano in Università, un grande privilegio per me essere scelta come Sua tesista.
Ma perché l’ultimo pioniere della neutronica italiana?
Cito alcuni spunti dal sito ufficiale dell’Università: “(…)Durante i 36 anni presso il Politecnico di Milano Giuseppe Caglioti è stato Direttore dell’Istituto di Ingegneria Nucleare e Presidente del Corso di Laurea in Ingegneria Nucleare. (…) L’attività di ricerca e gli interessi scientifici del Professor Caglioti hanno riguardato vari campi della Fisica e della Fisica della Materia: fisica sub-nucleare e relativa strumentazione, struttura della materia, fisica dei solidi e dei liquidi, diffrazione e spettrometria dei neutroni e relativa strumentazione, proprietà, comportamento e prestazioni meccaniche di materiali anche strutturali. È stato autore/coautore di circa 130 pubblicazioni nel campo della Fisica, dell’Ingegneria e della tecnologia dei Materiali. Tra i risultati più significativi delle sue ricerche in tale campo si segnalano: l’ottimizzazione dei metodi sperimentali di analisi della struttura della materia mediante diffrazione e spettroscopia dei neutroni termici, i cui criteri elaborati costituiscono ancora oggi un riferimento per i ricercatori di questo campo; la struttura dello zinco, del bromo e del gallio liquidi e la dinamica degli atomi nei cristalli di piombo e di zinco; le correlazioni tra struttura e dinamica dei cristalli su scala atomica e proprietà meccaniche dei materiali strutturali; la progettazione e pre-prototipazione di ruote leggere di automobili.”
Quelli trascorsi con lui al CESNEF, il centro Studi Nucleari Enrico Fermi del Politecnico di Milano, sono stati anni memorabili, e non solo per il carisma del Professore, ma per l’incredibile sensazione che generava crescere intellettualmente accanto a un genio che non si rendeva conto di essere tale, e poter ammirare la voragine di sapere che si autoalimentava dentro di lui e che tramite lui pian piano si riversava in me e mi trasformava. Ricordo distintamente la calma del suo eloquio, un tratto caratteristico questo che pochi uomini promanano, un senso di quasi surreale tranquillità avvolgeva le sue parole e i suoi movimenti, di una gestualità composta ed elegante che incuteva rispetto e induceva all’ascolto.
Il Professore è deceduto nel luglio 2024 all’età di 92 anni e mi manca moltissimo, per il rapporto umano che durava dai tempi della mia laurea e che negli anni si era trasformato in una profonda amicizia. Gli sarò per sempre grata per la stima, la fiducia, per la ricerca di un costante confronto, per avermi regalato la passione per la fisica teorica avanzata, per l’ingegneria nucleare, per aver alimentato in me quel dubbio costruttivo che con la curiosità per la scienza in ogni sua più complessa espressione erano anche i Suoi tratti caratteristici. Qualcosa che non mi lascerà mai.
*Nuclear Engineer, SDA Bocconi Senior Executive Fellow