Origini dei raggi cosmici

Fisica — 22 September 2025

📚 Le origini della scoperta dei raggi cosmici e delle tecniche di rivelazione (dalla fine del Settecento ai primi decenni del XX secolo)

(Sintesi storica e scientifica degli esperimenti e delle interpretazioni che portarono a riconoscere l’esistenza di radiazioni ionizzanti di origine extraterrestre e all’evoluzione degli strumenti di rivelazione)

🏛 Context & Background

La lezione ricostruisce la sequenza sperimentale e interpretativa che, tra la fine del Settecento e i primi decenni del Novecento, ha portato dalla semplice osservazione che corpi caricati si scaricano all’identificazione dei raggi cosmici: particelle ad altissima energia che arrivano dallo spazio e producono una cascata di secondari incontrando l’atmosfera. Il percorso comprende osservazioni con l’elettroscopio, lo studio della radioattività terrestre (Becquerel, Curie), esperimenti in torre, in mare e con palloni, lo sviluppo dei contatori elettronici (Geiger, Geiger–Müller) e i dibattiti interpretativi (Millikan vs. quanti/particelle).

🔑 Key Concepts & Developments

⚡ Elettroscopio come strumento di misura della ionizzazione
L’elettroscopio è uno strumento che evidenzia la presenza di carica elettrica attraverso la scostamento delle lamelle o lame. Già nella pratica sperimentale storica si osservava che corpi radioattivi posti vicino a un elettroscopio ne acceleravano la scarica: questo fece dell’elettroscopio un indicatore qualitativo e, con calibrature, quantitativo della radioattività e dell’ionizzazione dell’aria.

🧪 Prime osservazioni e concetti sulla radioattività
- Coulomb (1785): studi sulla scarica dei corpi elettrizzati e sull’elettrostatica; concetti sperimentali che anticipano l’uso degli elettroscopi.
- Scoperta della radioattività (fine XIX secolo): Henri Becquerel (1896) e i lavori di Pierre e Marie Curie rilevarono sostanze (es. radio, polonio) capaci di produrre ionizzazione spontanea e scaricare elettroscopi. Questo collegò la scarica spontanea a fonti radioattive materiali.

🌍 Dubbio tra origine terrestre vs. origine esterna
A cavallo tra Otto e Novecento la comunità scientifica dibatte se la ionizzazione osservata nell’aria sia dovuta esclusivamente a radioattività terrestre (sostanze nel suolo) o se una componente provenga dall’esterno (origini extra-terrestri). L’argomento chiave: se la scarica aumenta con la presenza di certi minerali allora il terreno è responsabile, ma l’evidenza suggeriva che c’era una componente non spiegata dalle sorgenti terrestri.

🔭 Misure in torre, sul mare e con palloni: gli esperimenti decisivi
- Theodor Wulf (1909 circa): misure sulla Torre Eiffel; osservò che la diminuzione dell’intensità con l’altitudine era minore di quanto ci si aspettasse se la radiazione fosse solo terrestre.
- Domenico Pacini (1910–1911): esperimenti in mare e sott’acqua (soprattutto immersioni con elettroscopi) che mostrarono una riduzione dell’ionizzazione quando lo strumento era immerso, concludendo che una parte della radiazione penetrante non dipendeva dalle sostanze contenute nella crosta terrestre.
- Balloon flights (1910–1912): diversi sperimentatori, tra cui Alfred Gockel e infine Victor Hess (1912) effettuarono ascese con palloni. Hess misurò un aumento dell’intensità ionizzante alle quote più elevate (1912), conclusione che indicava con forza un’origine extraterrestre. Per questi risultati Victor Hess ricevette in seguito il Premio Nobel (1936).

🔬 Nuovi rivelatori e metodi elettronici
- Contatore di Geiger: Geiger sviluppò una tecnica per rivelare particelle cariche; il tubetto Geiger–Müller (Geiger–Müller tube) fu messo a punto nel 1928 ed è in grado di produrre un impulso elettrico per ogni particella rivelata.
- Principio di funzionamento del tubetto a gas: un campo elettrico applicato tra pareti e catodo; il passaggio di una particella ionizzante produce ioni ed elettroni, i quali si moltiplicano creando una scarica locale (avalanches) che genera un impulso rilevabile.
- Tecniche di coincidenza: l’uso simultaneo di più rivelatori e il conteggio delle coincidenze (ovvero eventi rilevati simultaneamente da più contatori) permise di studiare meglio le tracce e la natura delle particelle; negli anni ’20–’30 metodi di coincidenza e contatori rendono possibile la distinzione tra singoli impulsi e casistiche casuali.

🧾 Interpretazioni e dibattiti (Millikan, Clay, Compton, Bothe, Kolhörster)
- Robert A. Millikan (anni ’20): propose inizialmente che i “cosmic rays” fossero radiazione gamma molto energetica (fotoni). Millikan introdusse il termine "cosmic rays" e promosse una visione fotonica.
- Misure di dipendenza magnetica e latitudinale (Jacob Clay, Arthur Compton): esperimenti mostrarono una variazione dell’intensità con la latitudine magnetica e con i campi magnetici, suggerendo che la componente principale fosse costituita da particelle cariche (non solo fotoni). Compton (campagna internazionale, inizi anni ’30) confermò la dipendenza latitudinale: prova forte della natura corpuscolare.
- Bothe & Kolhörster (1929): con l’uso di tecniche di coincidenza fornirono evidenze a favore della natura corpuscolare della radiazione penetrante.
- Questa evoluzione sperimentale risolse il dibattito: la componente principale dei raggi cosmici era costituita da particelle cariche (protoni e nuclei), anche se fotoni e neutrini hanno un ruolo in specifiche situazioni.

☄️ Natura fisica dei raggi cosmici e spettro energetico
- I raggi cosmici primari comprendono protoni, nuclei atomici (ioni pesanti), fotoni ad alta energia e una piccola componente di particelle neutre.
- Quando un primario colpisce l’atmosfera genera una cascata atmosferica (extensive air shower): una moltiplicazione di particelle secondarie (elettroni, positroni, muoni, fotoni, nuclei secondari).
- Il flusso di raggi cosmici decresce rapidamente con l’aumentare dell’energia: lo spettro segue una legge di potenza, con un flusso molto basso alle energie estreme (es. >10^19–10^20 eV). Questi eventi estremi sono rari e richiedono grandi aree di rivelazione per essere studiati.

🖼️ Notable Works / Figures

Pioniere: Charles-Augustin de Coulomb (1785)
Studi sull’elettrostatica e prime osservazioni sperimentali sulla scarica dei corpi carichi.

Scoperta della radioattività: Henri Becquerel (1896) e Pierre e Marie Curie
Individuarono emissioni spontanee da sostanze come l’uranio, e i Curie identificarono nuovi elementi radioattivi (radio, polonio) con capacità di scaricare elettroscopi.

Domenico Pacini (1910–1911)
Misure in mare e sott’acqua che dimostrarono una componente di radiazione penetrante indipendente dalle sorgenti terrestri.

Theodor Wulf (misure sulla Torre Eiffel)
Tentativi di misurare la diminuzione dell’intensità con l’altitudine; risultati non compatibili con una sola origine terrestre.

Victor Hess (1912)
Ascese in pallone che misurarono l’aumento dell’intensità con l’altitudine: prova cruciale dell’origine extraterrestre; Nobel 1936.

Geiger e Geiger–Müller
Sviluppo di contatori a tubetto per rivelare singole particelle via ionizzazione del gas.

Bothe, Kolhörster, Clay, Compton, Millikan
Figure chiave del dibattito: da Millikan (fotoni) a Clay e Compton (evidenze della natura carica); Bothe e Kolhörster consolidarono la natura corpuscolare con tecniche di coincidenza.

📖 Supporting Details

  • Elettroscopio: misura quantitativa/qualitativa della carica; si osservava scarica spontanea anche in assenza di materiali vicini (fenomeno naturale di background). In laboratorio si posizionavano campioni radioattivi vicino all’elettroscopio e si osservava l’aumento della velocità di scarica come misura di radioattività.
  • Problema centrale (inizio XX sec.): la scarica spontanea dell’elettroscopio nell’ambiente isolato — origine terrestre (radioattività del suolo) o origine esterna (radiazione penetrante)?
  • Pacini (1910): la misura in mare e sott’acqua mostrò che una porzione della radiazione penetrante non poteva essere attribuita solo agli elementi radioattivi del suolo. Citazione interpretativa: “una parte non trasformata della radiazione penetrante … origine indipendente dall’azione diretta delle sostanze attive del suolo.”
  • Wulf (1909): misura sulla Torre Eiffel con elettroscopi: la diminuzione con altitudine era minore del previsto per un’unica sorgente terrestre.
  • Hess (1912): voli in pallone fino a quote considerevoli; trovò che l’intensità ionizzante aumentava con l’altitudine — forte argomento a favore di un’origine extraterrestre.
  • Geiger counter / tubi a gas: principio di ionizzazione, moltiplicazione elettronica e produzione di impulsi elettrici. Il passaggio di una particella ionizzante ionizza il gas: elettroni e ioni vengono raccolti, si genera un impulso misurabile.
  • Contatori in coincidenza: permettono di ricostruire tracce (più rivelatori che segnalano simultaneamente) e di ridurre il rumore di fondo. Tecniche sviluppate tra anni ’20 e ’30 (Bothe, Kolhörster, Rossi e altri).
  • Millikan (anni ’20): convinzione iniziale che fossero fotoni ad altissima energia; il dibattito si risolse sperimentalmente a favore di particelle cariche.
  • Latitudine magnetica e campo magnetico: la dipendenza dell’intensità dalla latitudine e dall’interazione con campi magnetici ha dimostrato che molte componenti dei raggi cosmici sono cariche.
  • Cascata atmosferica (air shower): primario → interazione con nuclei atmosferici → molte particelle secondarie; questa cascata è la ragione per cui i rivelatori a terra registrano complessi segnali secondari.
  • Spettro energetico e flux: il numero di raggi cosmici decresce rapidamente all’aumentare dell’energia (legge di potenza); le energie estremamente alte (es. 10^19–10^20 eV) sono rarissime e sono oggetto di ricerche speciali (grandi osservatori, array a terra, telescopi Cherenkov).
  • Ruolo dell’atmosfera: funge da scudo; molti primari ad alta energia vengono “convertiti” in molti secondari prima di raggiungere il suolo; per studiarli si usano palloni, satelliti e grandi aree di rivelazione a terra.

🧩 Connections & Consequences

  1. Collocazione storica: questa storia collega la fisica classica dell’elettrostatica e della radioattività (Coulomb, Becquerel, Curie) con la fisica moderna delle particelle. Gli sviluppi sperimentali (elettroscopi → contatori a gas → tecniche elettroniche) furono essenziali per passare da osservazioni qualitative a misure quantitative e per scoprire la natura corpuscolare della radiazione cosmica.
  2. Perché è importante: la scoperta dei raggi cosmici ha aperto la strada alla fisica delle alte energie e alla fisica delle particelle prima dell’avvento degli acceleratori artificiali; ha permesso di studiare processi astrofisici estremi e la composizione del cosmo. Inoltre, le tecniche sviluppate (contatori, coincidenze, analisi di flusso e spettro) sono pilastri della metodologia sperimentale in fisica.
  3. Cross-references: collegamenti con la scoperta della radioattività (Becquerel, Curie), con lo sviluppo di rivelatori (Geiger, Geiger–Müller), con la fisica delle particelle e con studi successivi di enorme scala (osservatori per raggi cosmici, telescopi Cherenkov, rivelatori di neutrini) e con figure come Pacini, Wulf, Hess, Millikan, Clay, Compton, Bothe, Kolhörster, Rossi.