Ritratti: Walther Bothe

Tra le figure che hanno contribuito allo sviluppo della meccanica quantistica nei primi trent'anni del XX secolo è presente anche un fisico nucleare tedesco: Walther Wilhelm Georg Bothe.
Il suo contributo, di tipo sperimentale, alla fisica delle particelle è decisamente di tutto rispetto: allievo di personalità come Max Planck e Hans Geiger, Bothe, di ritorno dalla prima guerra mondiale dove si era arruolato volontario, ideò il metodo delle coincidenze, applicandolo allo studio di reazioni nucleari, effetto Compton, raggi cosmici, dualità onda-particella, ottenendo per questo il Premio Nobel per la fisica nel 1954. Quell'anno condivise l'importante riconoscimento con uno dei tanti allievi di Niels Bohr, il fisico teorico tedesco Max Born.
Tra l'altro i due fisici ebbero alcuni problemi durante il regime nazista, ma mentre Born, di origini ebree, fu costretto a emigrare in Gran Bretagna, Bothe fu "solo" costretto dal mivomento Deutsche Physik ad abbandonare il posto di direttore dell'istituto di fisica e radiologia dell'università di Heidelberg. A quel punto il fisico sperimentale era pronto ad abbandonare la natia Germania, ma per non perdere l'ennesimo talento gli venne offerto il posto di direttore dell'Istituto di fisica all'interno dell'Istituto Kaiser Wilhelm per la ricerca medica sempre ad Heidelberg. E fu qui che Bothe costruì il primo ciclotrone tedesco.
In particolare ad ostacolare Bothe furono Philipp Lenard, di cui Bothe sarebbe dovuto essere il successore, e Johannes Stark, che ne criticavano l'accettazione delle nuove teorie in voga, quella della relatività di Albert Einstein e quella in divenire della meccanica quantistica di Born e Planck. Ad ogni modo, nonostante queste forti opposizioni Bothe fece parte dell'Uranium Club (Uranverein), il progetto nucleare bellico della Germania naziasta sin dalla sua partenza nel 1939.
Non dovrebbe stupire la partecipazione di Bothe al programma: nonostante la Gestapo abbia aperto un'inchiesta sul fisico nucleare, Bothe era di fatto un patriota tedesco, come dimostra la sua precedente partecipazione alla prima guerra mondiale, quindi era inevitabile che, nonostante le divergenze di vedute con il nazismo, accettasse di collaborare a un progetto decisamente ambizioso come il programma nucleare tedesco.

Il club dell'uranio

Per quel che ci è dato sapere, però, fu proprio Bothe la causa del fallimento del programma. Insieme con il suo team era al lavoro per la determinazione delle costanti atomiche, della distribuzione di energia dei frammenti della fissione e del calcolo delle sezioni d'urto. I risultati sperimentali del suo gruppo di ricerca riguardo l'assorbimento dei neutroni da parte della grafite spinsero la Germania a puntare sull'acqua pesante come moderatore dei neutroni. I valori ottenuti da Bothe erano troppo altri e si ritenne che ciò fosse dovuto all'aria presente tra i pezzi di grafite, in particolare all'azoto, che ha un potere di assorbimento dei neutroni piuttosto elevato. Il problema è che di aria, nell'apparato sperimentale, non poteva essercene: infatti erano state utilizzate delle sfere di elettro-grafite di Siemens immerse in acqua, senza alcuna presenza di aria. L'alto assorbimento dei neutroni era, in effetti, spiegabile grazie alla presenzia di bario e cadmio, entrambi dei forti assorbitori di neutroni.
L'insuccesso del programma nucleare tedesco, guidato da Werner Heisenberg, alla fine spianò la strada al suo omologo d'oltreoceano, il Progetto Manhattan, e creò una ferita nella comunità dei fisici nucleari dell'epoca, indipendentemente dallo schieramento in cui si trovarono a vivere (o fuggire) durante la seconda guerra mondiale.

Il metodo delle coincidenze

Il grande successo di Bothe, però, è il già citato metodo delle coincidenze. Bothe, rimasto colpito dal problema della dualità onda-particella per i fotoni, ideò un set-up sperimentale che prevedeva l'uso contemporaneo di due contatori Geiger, ideati proprio dall'Hans Geiger di cui era stato allievo. L'idea di base era quella di, partendo dall'effetto Compton, rispondere alla seguente domanda:

ad essere emessi simultaneamente nel processo elementare sono un quanto diffuso e un elettrone di rinculo, o c'è una semplice relazione statistica tra i due?

L'effetto Compton, vale la pena ricordarlo, è l'urto tra un fotone e un elettrone con conseguente diffusione di un altro fotone e di un altro elettrone, solo che il fotone emesso aveva una frequenza differente rispetto al fotone assorbito: in pratica perdeva energia.
Allora Bothe pensò bene di utilizzare due contatori Geiger, uno per contare gli elettroni di rinculo e l'altro per contare i fotoni, posti in due zone ben separate, senza che ci fosse alcuna possibilità per ciascun contatore di misurare anche l'altra particella.
Il punto più delicato era, però, quello di riuscire a stabilire una "coincidenza" temporale tra i segnali rilevati dai due contatori, ovvero associare l'elettrone di un contatore con il giusto fotone dell'altro contatore. Una volta presa confidenza con il metodo, Bothe e i suoi collaboratori riuscirono a stabilire che le due particelle venivano generate contemporaneamente (entro gli errori sperimentali), dimostrando anche la validità della legge di conservazione dell'energia pure al livello microscopico.