Emilio Segrè: biografia e scoperte

Emilio Segrè nacque a Tivoli il 1° febbraio 1905 in un’agiata famiglia ebrea, dall’industriale Giuseppe Segrè e Amelia Treves. Frequentò le scuole a Tivoli e a Roma. Nel 1922 si iscrisse alla facoltà di Ingegneria ma, come vedremo, si trasferì successivamente a Fisica, materia che lo affascinava sin da bambino. In quegli anni infatti questa disciplina stava conoscendo un nuovo vigore e in Italia si stava rafforzando sempre di più, in particolare grazie al lavoro e attorno alla figura di Enrico Fermi.   

Come vedremo, il lavoro di Emilio Segrè è stato incentrato prettamente sulla fisica atomica e nucleare. In particolare, fino a tutto il 1933 si dedicò principalmente alla spettroscopia atomica. Nel 1934 iniziò a dedicarsi alle ricerche in fisica nucleare condotte in collaborazione con Enrico Fermi e incentrate principalmente sullo studio dei neutroni. Emilio Segrè partecipò infatti agli studi pioneristici condotti a Roma tra il 1934 e il 1935 e che portarono alla scoperta dei neutroni lenti. Successivamente si interessò anche alla radiochimica e scoprì gli elementi tecnezio (con il Professor Perrier), astato (con Corson and Mackenzie) e  plutonio-239 (con Kennedy, Seaborg, and Wahl).   

Emilio Segrè conobbe Enrico Fermi nell’estate del 1927 tramite Rasetti e Enriques. Come ricordava lui stesso, “In varie conversazioni, durante passeggiate o al mare, Fermi mi fece varie domande di fisica classica; erano semplici problemi che egli mi poneva probabilmente per farsi un’idea della mia cultura e abilità”. 

Nel settembre dello stesso anno, il giovane Segrè partecipò alla Conferenza Internazionale di Fisica a Como e poté ascoltare gli interventi dei grandi fisici che dominavano il contesto scientifico di quegli anni, quali Lorentz, Rutherford, Planck e Bohr e il gruppo di giovani - tra cui Heisenberg, Pauli e lo stesso Fermi- che erano evidentemente i migliori della nuova generazione: “Era chiaro che almeno dal punto di vista scientifico, Fermi era la voce più ascoltata tra gli italiani; era uno dei pochissimi che fosse citato e che partecipasse alle discussioni. Personaggi come Born e Sommerfeld ascoltavano attentamente ciò che diceva Fermi e ovviamente lo consideravano uno dei fisici importanti presenti alla conferenza”.    

Fu così che al rientro a Roma all’inizio dell’anno accademico 1927-28, Emilio Segrè decise di trasferirsi da Ingegneria a Fisica dove divenne il primo allievo di Fermi. La scelta fu anche incoraggiata dal Professor Corbino che nel giugno del 1927 aveva descritto agli studenti del corso di fisica sperimentale per ingegneri le opportunità che si stavano aprendo per studenti di fisica pura: “Descrisse lo straordinario futuro della fisica fondato sullo sviluppo delle idee moderne e sull’arrivo di nuovi docenti giovani desiderosi di insegnare e padroni della materia. Insisté poi sul fatto che desiderava solo studenti di qualità superiore.  

Solo Edoardo Amaldi accettò l’invito e divenne uno del piccolo gruppo di studenti che Fermi avrebbe personalmente istruito con la speranza di sviluppare collaboratori e ricercatori. Si sperava che questo progetto avrebbe finito col portare a una rinascita della fisica in Italia […]. Dopo qualche mese di studio all’istituto di fisica parlai al mio amico e compagno di classe Ettore Majorana (1908-1938), che a sua volta passò dall’ingegneria alla fisica e si unì al nostro gruppo”. 

Emilio Segrè si laureò nel 1928 sotto la supervisione del professor Enrico Fermi (fu il suo primo studente) con cui il legame scientifico e di amicizia rimarrà per tutta la vita.  

Le attività del gruppo di Enrico Fermi si svolgevano nel vecchio Istituto di fisica dell’Università di Roma in via Panisperna 89a che lo stesso Segrè ricordava così: “L’edificio dell’Istituto di fisica era perfettamente sufficiente per le necessità degli anni venti e aveva poco da invidiare ai migliori istituti europei di quel tempo.  

Le apparecchiature invece erano mediocri e consistevano principalmente di spettroscopi e strumenti ottici, con solo qualche pezzo moderno e buono. L’officina meccanica era antiquata in quanto a macchine utensili e non era all’altezza della situazione; la biblioteca, invece, era ottima e aggiornata. La posizione dell’Istituto su di una collinetta vicino al centro di Roma, circondato da un piccolo parco comodissimo e bello allo stesso tempo, il giardino pieno di palme e boschetti di bambù in cui regnava il silenzio, tranne al tramonto quando tutti gli uccelli del vicinato si radunavano a cinguettare nel verde, rendevano l’Istituto un centro di studio pieno di pace e molto invitante. 

Credo che tutti quelli che vi hanno lavorato serbino un ricordo affettuoso e poetico del luogo. All’Istituto vi era l’uso di dare soprannomi ricavati da storie varie; […] Fermi era il Papa, Corbino il Padreterno, Rasetti quando non era Venerato Maestro diventava Cardinal Vicario, io ero qualche volta Basilisco, qualche volta Prefetto alle Biblioteche; Majorana era spesso il Grande Inquisitore e così via. L’amministrazione dell’Istituto era semplicissima. Corbino dava le disposizioni generali. L’esecuzione era affidata al factotum cav. Ludovico Zanchi, che, nato nell'istituto, ne conosceva tutti i problemi. Egli con intelligenza, tatto, discrezione e lavoro indefesso faceva sì che tutto funzionasse a dovere. Era amico di tutti, da Corbino in giù, e se c’era qualche difficoltà amministrativa si sapeva a chi rivolgersi”.  

“I seminari di Fermi erano sempre improvvisati e privi di formalità. Nel tardo pomeriggio ci si riuniva nel suo studio e la conversazione si trasformava presto in una lezione. Così se per caso uno domandava che cosa si sapeva sulla capillarità Fermi improvvisava una bellissima lezione sulla teoria della medesima. Sembrava, a sentirlo, che avesse studiato capillarità fino a quel momento e che avesse accuratamente preparato la lezione. […] Si esaminavano molti argomenti a un livello abbastanza elementare, come si farebbe in un corso di terzo o quarto anno in una università italiana di oggi. Ogni tanto però il tono della discussione si elevava notevolmente e Fermi spiegava qualche lavoro che aveva appena finito di leggere […]”. 

Nel 1929 Emilio Segrè ottenne il suo primo incarico all’Università di Roma come assistente del professor Corbino e nel 1930 vinse una borsa di studio finanziata dalla Rockefeller Foundation che gli permise di lavorare ad Amburgo, in Germania, con il Professor Otto Stern. Rientrò in Italia nel 1932 e ottenne l’incarico di professore all’Università di Roma dove continuò la stretta collaborazione con il gruppo di Enrico Fermi. 

Dopo aver fatto il servizio militare, Segrè si dedicò a ricerche di spettroscopia atomica fino a tutto il 1933. Il lavoro sperimentale spettroscopico era guidato principalmente da Rasetti. Oltre che a Roma, Emilio Segrè condusse i suoi studi nel settore anche ad Amsterdam, nel laboratorio diretto da Peter Zeeman.   

La spettroscopia si occupa dell’esame e dell’interpretazione degli spettri della luce emessa nel momento in cui la materia viene opportunamente eccitata. Uno spettro rappresenta un insieme di radiazioni, emesse o assorbite dagli atomi o dalle molecole, distribuite ed espresse in funzione delle lunghezze d’onda o delle frequenze. 

Lo studio spettroscopico dell’emissione e dell’assorbimento della luce da parte degli elementi è stato uno dei campi di ricerca fondamentali per lo sviluppo delle conoscenze sulla struttura atomica della materia. Per quanto riguarda gli spettri atomici, il primo ad essere interpretato fu quello dell’idrogeno, l’atomo più semplice in quanto costituito da un protone e un elettrone. Esso rappresenta il modello da cui partire per comprendere le più complesse distribuzioni degli spettri atomici e molecolari degli altri elementi. 

Dopo la scoperta della radioattività, i fisici pensarono di utilizzare le particelle emesse dalle sostanze radioattive per cercare di provocare qualche processo di disintegrazione nucleare, al fine di trasformare un elemento stabile in un altro. 

La prima reazione nucleare artificiale fu ottenuta da Rutherford nel 1919 e dopo i lavori dei coniugi Joliot-Curie si capì come fosse possibile trasformare un elemento stabile in uno radioattivo. In particolare, bombardando con particelle α una lastra di alluminio, i due fisici ottennero un isotopo del fosforo non esistente in natura. Nel 1934, venuto a conoscenza della scoperta della radioattività artificiale fatta dai Joliot-Curie alla fine del 1933, Fermi intuì che il processo poteva essere vantaggiosamente provocato utilizzando un fascio di neutroni al posto delle particelle α.  

Ottenuti i primi risultati nel fluoro e nell’alluminio, chiese la collaborazione di Emilio Segrè, Rasetti e Amaldi e del chimico D’Agostino. A partire dal settembre del 1934 si aggiunse anche Bruno Pontecorvo. Emilio Segrè lavorò strettamente con D’Agostino, sia sull’impiego e perfezionamento della tecnica dei trasportatori radioattivi che, più tardi, nello sviluppo di metodi per la separazione di radioisotopi. In circa un anno di intenso lavoro il gruppo riuscì a produrre e identificare una cinquantina di elementi radioattivi.   

La sostituzione delle particelle α con i neutroni (bombardamento neutronico) si rivelò vincente e fu dimostrata la capacità di tale tecnica di disintegrare la maggior parte degli atomi, indipendentemente dal peso atomico. Lo stesso Enrico Fermi definì i così detti neutroni lenti come “un fenomeno che permette di aumentare notevolissimamente il rendimento della produzione di sostanze radioattive artificiali”. 

Subito dopo la scoperta dei neutroni lenti, Corbino ne riconobbe le potenziali applicazioni pratiche e il conseguente impatto e consigliò pertanto di brevettare lo studio. Il brevetto italiano N. 324 458 del 26 ottobre 1935 (Fermi, Amaldi, Pontecorvo, Rasetti e Segrè) riguardava la produzione di sostanze radioattive mediante il bombardamento neutronico e l’aumento dell’efficienza del processo mediante il rallentamento dei neutroni. Come sottolineava lo stesso Segrè, “dato che i neutroni lenti sono l’agente che fa funzionare i reattori nucleari, il brevetto è di importanza fondamentale per tutto lo sviluppo dell’energia atomica”.   

Nel novembre 1935 Emilio Segrè vinse il concorso per la cattedra di fisica sperimentale presso l’Università di Palermo e si trasferì nella nuova sede. Nel febbraio 1936 sposò Elfriede Spiro. 

Durante l’estate dello stesso anno fece un viaggio negli Stati Uniti e in occasione della visita al ciclotrone di Berkeley ottenne da Ernest Lawrence, direttore del Laboratorio, il permesso di prendere materiale radioattivo ormai inutilizzato. Tornato a Palermo, riuscì - insieme al suo collega Carlo Perrier - ad estrarre da questo materiale alcuni radioisotopi a vita media lunga dell’elemento che sarà successivamente chiamato tecnezio (Tc). Si trattava di uno degli elementi atomici ancora mancanti, quello con numero atomico 43, non esistente in natura e ottenuto per bombardamento del molibdeno. 

La scoperta di questo nuovo elemento ha aperto le porte ad applicazioni utili dell’energia nucleare. Il tecnezio svolge infatti un ruolo molto importante in medicina poiché uno dei suoi isotopi, il tecnezio-99 metastabile (Tc-99m), è il principale radionuclide utilizzato in campo diagnostico. Ricordiamo che i radiofarmaci sono medicinali, utilizzati a scopo diagnostico e/o terapeutico, che includono uno o più radionuclidi grazie ai quali si ottiene un segnale rilevabile dall’esterno del corpo.  

Grazie all’utilizzo di radiofarmaci specifici è possibile valutare aspetti funzionali e/o processi biochimico-metabolici a livello di organi, tessuti e cellule. I radiofarmaci possono determinare una visualizzazione “positiva” o “negativa”: nel primo caso il radiofarmaco si accumula elettivamente dove ha luogo il processo patologico; nel secondo caso, al contrario, la patologia è evidenziata da un difetto di captazione. 

Attualmente, il 99mTc è il radionuclide più utilizzato nella pratica clinica (rappresenta oltre il 90% dei radionuclidi impiegati in diagnostica). Tra i vantaggi principali vi sono l’emivita di 6 ore (sufficientemente lunga per gli esami diagnostici ma tale da permettere la dimissione del paziente in breve tempo); l’emissione di sole radiazioni gamma (energia adatta per ottenere immagini ma non dannosa per l’ambiente o per l’organismo).  

Nell’estate 1938 Emilio Segrè decise di andare a Berkeley per qualche mese per studiare gli isotopi a vita breve del tecnezio. Mentre era lì, per via delle leggi razziali perse il suo posto di professore a Palermo e si trasferì quindi definitivamente all’Università della California, a Berkeley (nel 1944 fu naturalizzato cittadino statunitense). La moglie lo raggiunse, con il primo dei loro tre figli che non aveva ancora due anni.  

A Berkeley, insieme a Glenn T. Seaborg, scoprì l’isomero del tecnezio 99mTc descritto nella Nota sulle applicazioni del tecnezio in medicina nucleare.  

Nel dicembre del 1940 Segrè si recò da Fermi (nel frattempo si era trasferito nel New Jersey) per discutere le potenzialità del plutonio in questi termini: “Ci era chiaro che se il Pu239 aveva una vita media sufficientemente lunga da permetterne l'accumulazione e la separazione chimica e se si scindeva sotto l'azione dei neutroni lenti, poteva fornire un esplosivo nucleare. Una reazione a catena con l'uranio comune, oggetto delle sue ricerche alla Columbia, avrebbe allora acquistato nuova importanza perché sarebbe diventata la fonte del materiale occorrente per una bomba”.   

Il ciclotrone presente nel Radiation Laboratory di A Berkeley avrebbe consentito la preparazione di quantità di Pu239 sufficienti per studiarne le proprietà nucleari. Il 16 dicembre 1940 si riunì con Fermi, Lawrence e Pegram alla Columbia University per discutere i dettagli di un’irradiazione dell’uranio con neutroni per produrre quantità di plutonio sufficienti per studiarne le proprietà nucleari. 

Il lavoro iniziò agli inizi del 1941 e “dimostrò che il Pu219 era un esplosivo nucleare e che di conseguenza si aprivano due possibilità di fare una bomba atomica: 

• con l’U215, ottenuto dalla separazione degli isotopi da una parte
• con la preparazione di sufficienti quantità di Pu239 dall'altra.

Naturalmente il secondo modo presupponeva la costruzione di un reattore nucleare che potesse produrre il Pu239, perché non era possibile prepararlo in quantità sufficienti con il ciclotrone.

Non fu facile comunicare questi risultati a Fermi, perché tutti e due eravamo stranieri e le comunicazioni dirette fra di noi non erano viste di buon occhio. I risultati furono pertanto descritti in lettere segrete di Seaborg a Briggs e quest'ultimo li comunicò a Fermi rendendo ufficialmente regolare tutto il processo. Durante la primavera del 1941 si cominciarono a vedere segni di interesse per gli studi sulle applicazioni nucleari da parte di fisici americani importanti”.

Dal 1943 al 1946 diresse un gruppo di ricercatori nel laboratorio di Los Alamos, dove venne costruita la bomba atomica (progetto Manhattan). Nel 1946 tornò all’Università di California come professore di fisica. 

Nel 1955, in collaborazione con Chamberlain, scoprì l’antiprotone e lo studio sugli antinucleoni ha rappresentato per lui, da quegli anni in poi, il settore di principale interesse. Proprio per la scoperta dell’antiprotone, nel 1959 vinse il premio Nobel per la fisica insieme ad Owen Chamberlain.

Emilio Segrè morì il 22 aprile del 1989 per un attacco di cuore a Lafayette, in California, e le spoglie verranno inumate nel cimitero di Tivoli.