Sono fondamentali le sue ricerche sui fenomeni radioattivi, effettuate dal 1897 al 1907
in collaborazione con J.J. Thomson e F.Soddy, per determinare le leggi di decadimento (a e b) degli elementi radioattivi delle
tre famiglie naturali (dell'uranio-radio, del torio e dell' attinio). Nell'ambito di
ciascuna serie il capostipite, che è l'elemento con la vita media più lunga (alcuni
miliardi di anni), decadendo si trasforma nell'elemento radioattivo successivo, e così
via attraverso tutti gli elementi instabili consecutivi, fino alla formazione di un
elemento stabile (un isotopo del piombo). La sua principale scoperta riguarda il nucleo
atomico.
Nel 1911 Rutherford, dopo due anni di ricerche effettuate
assieme Geiger e Marsden
,bombardando sottili foglie d'oro con particelle a ed
esaminando la distribuzione angolare delle particelle diffuse in tutte le direzioni, si
rese conto dell' impossibilità di accettare il modello atomico proposto nel 1902 da J.J.
Thomson, che immaginava gli elettroni dispersi
all' interno di una sfera dotata di carica
elettrica positiva, distribuita uniformemente ed uguale a quella negativa dovuta gli
elettroni, in modo tale che fosse mantenuta la neutralità elettrica .
I dati sperimentali erano invece compatibili con l'esistenza di un nucleo positivo
contenente quasi tutta la massa dell'atomo, in quanto gli eventi relativi alla diffusione
delle particelle a a grandi angoli o addirittura, sia pure con
scarsa frequenza, all'indietro, erano compatibili soltanto con un nucleo positivo
massiccio.
Rutherford enunciò pertanto la scoperta del nucleo atomico, dando un impulso decisivo
allo sviluppo della fisica atomica.
A Rutherford va inoltre attribuito il merito di avere
prodotto la prima reazione nucleare artificiale.
Infatti, nel 1919 , bombardando con partecelle a un materiale
contenente azoto, ottenne come prodotti di reazione un isotopo dell' ossigeno e nuclei
d'idrogeno (protoni), dei quali potè misurare l'energia cinetica.
Nel 1908 gli fu conferito il premio Nobel per la chimica.
Allievo di J.J. Thomson e Rutherford, nel 1913 elaborò la prima teoria della struttura
atomica, basandosi sul modello atomico di Rutherford ed applicando all'atomo più
semplice, l'atomo d'idrogeno, le leggi della meccanica classica ed alcuni postulati che
tenevano conto della quantizzazione dell'energia e del momento angolare dell'unico
elettrone orbitante attorno al nucleo (protone), carico positivamente.
Il modello atomico che ne derivò, prese il nome di modello di Bohr-Rutherford, e
consentì di disporre di una teoria atomica elementare, che rappresentò tuttavia il primo
importante passo per la costruzione della fisica atomica.
Fondò la scuola di fisica di Copenaghen, presso la quale si formarono negli anni '20 i
più illustri esponenti della fisica atomica europea.
Nel campo della fisica nucleare introdusse il modello a goccia del nucleo atomico, di
fondamentale importanza per lo studio della fissione dell'uranio e del plutonio con
neutroni lenti.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1922.
Nel formulare l'ipotesi (1924) del comportamento ondulatorio delle particelle
elementari, che diede impulso alla creazione della meccanica quantistica di Schroedinger
(detta anche meccanica ondulatoria), fu guidato dall'analogia con il dualismo
ondulatorio-corpuscolare ipotizzato da Einstein (teoria dei fotoni, 1905) per spiegare l'
effetto fotoelettrico.
De Broglie pensò che, per analogia con quanto si verifica per la radiazione
elettromagnetica, che nell'interazione con gli oggetti del microcosmo (atomi e
particelle), evidenzia proprietà corpuscolari, in quanto i fotoni (pacchetti di energia
elettromagnetica) si comportano come se fossero vere e proprie particelle materiali, anche
per la materia del microcosmo fosse possibile evidenziare proprietà ondulatorie, e che
pertanto a qualsiasi particella dotata di quantità di moto MV,dovesse
essere associata un'onda di probabilità con lunghezza l = h/(MV), dove h è la costante
universale di Planck che caratterizza i fenomeni fisici del microcosmo.
L'ipotesi di De Broglie fu verificata sperimentalmente (1927) da Davisson e Thomson , che
evidenziarono con esperimenti di diffrazione il comportamento ondulatorio degli elettroni,
ottenendo fotografie degli anelli di diffrazione molto simili a quelle ottenute da Laue e
Bragg nei primi anni '10, con i raggi X, che sono onde elettromagnetiche.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1929.
Dopo la laurea fu allievo di Bohr presso la scuola di Copenhagen.
Nel 1925, indipendentemente da Schroedinger formulò la meccanica quantistica, introducendo
il formalismo delle matrici.
Celebre il principio d' indeterminazione , enunciato nel 1927 come principio basilare per
lo studio dei fenomeni fisici del microcosmo.
Fu tra i fondatori dell'elettrodinamica quantistica.
Sono fondamentali le sue ricerche nel campo della teoria quantistica dei campi e della
fisica delle particelle elementari.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1932.
Nel 1925, indipendentemente da Heisenberg, formulò la meccanica quantistica, introducendo
come equazione fondamentale la sua equazione d'onda, la cui soluzione è la funzione
d'onda.
L'equazione di Schroedinger, detta anche equazione delle onde di probabilità, descrivendo
l'atomo come una nuvola di probabilità, consente di calcolare la probabilità di trovare
l'elettrone in un punto di date coordinate rispetto al nucleo.
Gli fu conferito il premio Nobel assieme a Dirac nel 1933.
Dopo la pubblicazione dei lavori di Heisenberg e Schroedinger, fornì nel 1928 una
versione relativistica dell'equazione d'onda, feconda di fondamentali risultati nel campo
della fisica delle particelle elementari con spin 1/2 (elettrone,muone, neutrino,protone),
in quanto implica l'esistenza di antiparticelle (positrone,antimuone,antineutrino,
antiprotone),
la prima delle quali,il positrone, fu scoperta nel 1932 da Anderson negli
sciami di particelle della radiazione cosmica.
L'equazione d'onda relativistica è
fondamentale per lo sviluppo dell'elettrodinamica quantistica, di cui Dirac è considerato
uno dei fondatori.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1933 assieme a Schroedinger.
Straordinaria figura di fisico teorico e sperimentale.
Effettuò ricerche di importanza basilare in tutti i settori della fisica, apportando
contributi la cui genialità è riconosciuta da tutta la comunità scientifica
internazionale.
Dopo aver lavorato con alcuni dei più illustri fisici del XX secolo, a Gottinga e Leida,
ed essere stato nominato accademico d'Italia a soli 27 anni, dal 1923 al 1938, anno del
suo trasferimento negli Stati Uniti, apportò fondamentali contributi alla statistica
quantistica delle particelle elementari con spin semidispari , denominate in suo onore
fermioni, alla struttura atomica, alla teoria delle forze deboli (1934),dette anche forze
di Fermi, che determinano la radioattività b, ed alla
produzione di parecchi isotopi radioattivi artificiali ottenuti bombardando i nuclei con
neutroni lenti.
Le sue ricerche sui neutroni, effettuate presso l'università di Roma (1934-1938), furono
basilari per la scoperta della fissione nucleare ad opera di Hahn e Strassman (1939).
Negli Stati Uniti realizzò e collaudò (1942), nell'ambito del progetto Manhattan, il
primo reattore (pila) nucleare, partecipando alla realizzazione della bomba atomica.
Nel periodo postbellico, trascorso prevalentemente presso l'università di Chicago, si
dedicò prevalentemente a ricerche di fisica delle alte energie, sia studiando la
radiazione cosmica, sia utilizzando i primi acceleratori di particelle, derivati dal
ciclotrone di Lawrence, per lo studio degli urti tra pioni e nucleoni, ed i primi
calcolatori elettronici. Nel 1938 gli fu conferito il premio Nobel per le sue ricerche sui
neutroni.
La sua più importante scoperta è il principio di esclusione, noto anche come
principio di Pauli.
Nel 1925, a seguito della formulazione della meccanica quantistica da parte di Heisenberg e
Schroedinger, studiò la struttura atomica che veniva descritta dalla nuova meccanica,
rendendosi conto che, per potere rappresentare i livelli energetici degli atomi in modo
coerente con i dati sperimentali ricavati dagli spettri ottici ed a raggi X, fosse
indispensabile ammettere che due elettroni atomici non possono occupare lo stesso stato,
individuato da quattro numeri quantici: uno collegato all'energia,due al momento angolare
orbitale ed il rimanente al momento angolare intrinseco (spin).
Se due elettroni, in particolare, possiedono tre numeri quantici uguali, devono avere spin
orientati in versi opposti.
Il suo principio, che è una legge di natura valida per tutte le particelle elementari con
spin semidispari , è fondamentale per spiegare non soltanto la struttura atomica dei vari
elementi chimici, ma il comportamento di qualsiasi sistema quantistico , le cui particelle
(fermioni) obbediscano alla statistica di Fermi-Dirac; in particolare esso è
indispensabile per spiegare la conducibilità elettrica dei metalli.
La sua genialità di fisico teorico gli consentì di prevedere nel 1931 l'esistenza del
neutrino, particella con massa e carica elettrica nulle, e di spiegare così l'apparente
violazione del principio di conservazione dell'energia, rilevata misurando la strana
distribuzione energetica degli elettroni nei fenomeni di decadimento radioattivo b .
Sulla sua ipotesi dell' esistenza del neutrino Enrico Fermi costruì la sua teoria delle
forze deboli (1934).
Il neutrino, difficilissimo da rivelare per la mancanza di carica elettrica e per la
massa, che attualmente, secondo le più recenti ricerche, si ritiene sia piccolissima, ma
non proprio nulla, è in grado, per es., di attraversare tutta la Terra senza interagire e
svolge un ruolo fondamentale nel controllare la velocità delle reazioni di fusione
termonucleare che avvengono nel sole e nelle altre stelle.
I neutrini sono stati rivelati per la prima volta da Cowan e Reines,
nel 1956, studiando le interazioni deboli indotte in un reattore nucleare dai neutrini
generati dal decadimento radioattivo dei frammenti di fissione.
E' considerato uno dei fondatori dell'elettrodinamica quantistica.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1945.
E' considerato, dopo Fermi, uno dei più grandi fisici nucleari. Verso la fine degli
anni '30 studiò l'applicazione della meccanica quantistica al nucleo atomico, scoprendo
fondamentali teoremi che riguardano le proprietà di simmetria spazio-temporale delle
forze nucleari, e sono applicabili anche in altri settori della fisica, in particolare
nella fisica delle particelle elementari.
Il teorema dell'invarianza temporale stabilisce che i fenomeni fisici del microcosmo si
svolgono allo stesso modo quando si va indietro nel tempo; si ha cioè la reversibilità
temporale a livello microscopico, che è valida per tre delle quattro forze fondamentali.
Nel caso particolare delle interazioni elettromagnetiche, la validità del teorema di
Wigner è stata verificata sperimentalmente (1964) dal fisico Antonino Zichichi.
I contributi di Wigner allo studio della struttura nucleare sono di importanza
fondamentale .
Collaborò attivamente con Fermi al progetto Manhattan per la costruzione della prima
bomba atomica.
Nel 1963 gli fu conferito il premio Nobel assieme a Maria Goeppert-Mayer e J. Hans D.
Jensen.
Le loro ricerche hanno riguardato il perfezionamento dell'elettrodinamica quantistica,
introdotta verso la fine degli anni '20 da Dirac,Heisenberg e Pauli, che applicarono i
principi della meccanica quantistica all'interazione tra le particelle elementari cariche
ed il campo elettromagnetico.
La teoria originaria presentava parecchi inconvenienti derivanti dal non aver considerato
le interazioni delle particelle cariche (elettroni, positroni, muoni, protoni, ecc...) con
tutte le coppie virtuali particella-antiparticella che caratterizzano lo stato di vuoto
dei campi quantistici (polarizzazione del vuoto); per tale motivo i calcoli davano luogo a
contributi infiniti, fisicamente non accettabili.
Tomonaga, Schwinger e Feynman elaborarono, indipendentemente l'uno dall'altro, particolari
tecniche di calcolo e di rinormalizzazione, fino a rendere l'elettrodinamica quantistica
una delle teorie più accurate che siano mai state sviluppate.
I risultati della teoria furono brillantemente confermati dai risultati sperimentali (Lamb
shift delle righe spettrali dell'atomo di idrogeno - 1947) collegati alla fisica virtuale,
che descrive le fluttazioni dello stato di vuoto dei campi quantistici.
Le tecniche di calcolo utilizzate per perfezionare la Q.E.D. (Quantum Electro-Dynamics),
sono state successivamente utilizzate nell'ambito del modello standard, sia nella teoria
elettrodebole (la teoria unificata delle forze elettromagnetiche e deboli), sia nella
cromodinamica quantistica (Q.C.D. - Quantum Chromo-Dynamics) ,che studia le interazioni
forti tra i quark, all'interno degli adroni.
Fu conferito loro il premio Nobel nel 1965.
