Atomo dal greco atomos: Indivisibile

L’era filosofica

Le prime teorie sulla scienza e sulla natura della materia risalgono ai tempi dell’antica Grecia e sono di natura prettamente filosofica. In quel periodo la scienza era un ramo della filosofia, e senza fare troppe indagini e considerazioni (vedi Babilonesi, Caldei, Egizi) osserviamo i filosofi che si sono occupati di questo argomento.

Democrito nato ad Abdera nel 406 a.c. e morto nel 370 a.c. fu assieme al suo maestro Leucippo il padre dell’atomismo. Disse che la materia era formata da atomi che costituivano la parte più piccola e indivisibile (atomo). La sua filosofia si basava su due concetti, il vuoto e la materia. Il vuoto era lo spazio dove non c’era nulla e la materia era composta da atomi. Questa teoria fu avversata da Aristotele. Fin dai tempi di Aristotele, atomi e vuoto sono stati variamente interpretati; infatti, lo stesso Aristotele così si espresse nella sua Metafisica: “Leucippo e il suo discepolo Democrito pongono come elementi il pieno e il vuoto, chiamando l’uno essere e l’altro non essere”. Per chiudere questo brevissimi excursus, il noto filosofo della scienza: Ludovico Geymonat afferma che «l’atomismo di Democrito […] ebbe una funzione determinante, nel XVI e XVII secolo, per la formazione della scienza moderna».

L’era scientifica moderna

L’era scientifica moderna inizia con Galileo Galilei (1564 – 1642). E’ considerato il padre della Rivoluzione Scientifica con l’introduzione del metodo scientifico e l’introduzione della matematica come linguaggio universale della scienza. Introdusse il concetto di esperimento (Prova e Riprova……) per capire i fenomeni naturali. Democrito propose la teoria atomica, secondo cui la materia è costituita da minuscole particelle, diverse tra loro, chiamate atomi, la cui unione dà origine alle sostanze . Questo aiutò Isaac Newton (1643 – 1727) a sviluppare la sua teoria corpuscolare sulla luce, e a John Dalton che fu il primo scienziato che elaborò una teora atomica partendo dal pensiero di Democrito. Nel 1808 rielaborò la teora atomica di Democrito, con un intensissimo lavoro di laboratorio e tantissimi esperimenti fino ad elaborare una teoria su come dovesse essere costituito un atomo.

La teoria di Dalton è basata su cinque principi:

1. La materia è formata da piccolissime particelle elementari chiamate atomi che sono indivisibili e indistruttibili;
2. Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti eguali tra loro;
3. Gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporto di numeri interi (in genere piccoli numeri) dando origine ai composti;
4. Gli atomi non possono essere creati o distrutti;
5. Gli atomi di un elememnto non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.

Vari atomi e molecole rappresentati nella prima pagina di “A New System of Chemical Philosophy”, di John Dalton, pubblicato nel 1808.

La storia delle teorie atomiche (sempre controverse e contestate) continua Joseph John Thomson (1856 – 1840). Thomson con i suoi esperimenti lavorando con i raggi X e in special modo con i raggi catodici notò che questi venivano deviati se sottoposti a un campo elettrico, desunse che fossero composti da particelle di carica negativa, che chiamò corpuscoli, e che sono successivamente diventati noti come elettroni, per questa scoperta prese il Nobel nel 1906. Egli immaginò che un atomo fosse costituto da una sfera fluida in cui erano immersi gli elettroni (considerate come particelle negative): è il modello a panettone, in inglese plum pudding model.

Nel 1910 due allievi di Ernest Rutherford (1871 – 1934) Geiger e Mardsen svolsero un esperimento cruciale con lo scopo di convalidare il modello di Thomson. Borbardarono un sottilissimo foglio di oro, posto tra una sorgente di particelle alfa e uno schermo. L’esperimento portò alla costatazione che i raggi alfa non venivano quasi mai deviati: solo l’1% dei raggi incidenti era deviato considerevolmente dal foglio d’oro, alcuni venivano respinti. Attraverso questo esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui tutta la massa dell’atomo fosse concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli girassero così come i pianeti ruotano attorno al Sole: fu così varato il modello planetario! L’atomo era quindi composto da spazio vuoto, e questo spiegava il perchè del passaggio della maggior parte dei raggi alfa attraverso la lamina. Il nucleo è così concentratoche gli elettroni gli ruotano attornoa distanze relativamente enormi. Rutherford intuì che i protoni (particelle cariche nel nucleo) da soli non bastavano a giustificare tutta la massa del nucleo e formulò l’ipotesi dell’esistenza di altre particelle, che contribuissero a formare l’intera massa del nucleo.

Il modello di Rutherford aveva incontrato una palese contraddizione con le leggi della fisica classica. Secondo la teoria elettromagnetica, una carica che subisce una accelerazione emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Per questo motivo, gli elettroni dell’atomo di Rutherford, che si muovono di moto circolare intorno al nucleo, avrebbero dovuto emettere onde elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, annichilire nel nucleo stesso (teoria del collasso), cosa che evidentemente non accade. Inoltre un elettrone, nel perdere energia, potrebbe emettere onde elettromagnetiche di qualsiasi lunghezza d’onda operazione preclusa nella teoria e nella pratica dagli studi sul corpo nero di Max Planck (e successivamente di Albert Einstein). Solo la presenza di livelli di energia quantizzati per quanto riguarda gli stati degli elettroni poteva spiegare i risultati sperimentali: la stabilità degli atomi rientra nelle proprietà spiegabili mediante la meccanica quantistica, crescenti col numero atomico degli elementi secondo incrementi dei tempi di stabilità via via decrescenti (regola dell’otetto e regola dei 18 elettroni). Tratto da Wikipedia

Siamo finalmente alla prima svolta importante, nella sequenza di scoperte avete visto nascere i quanti, l’elettrone, i primi tre modelli di atomi, ma il primo più significativo modello lo ha proposto il grande fisico danese Neils Bohr nel 1913. Pur accettando il modello planetario di Rutherford, propose che gli elettroni avessero a disposizione orbite fisse, dette anche orbite quantizzate, queste orbite un’energia quantizzata nella quale gli elettroni non emettevano nè assorbivano energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Una ulteriore correzione la propose Arnold Sommerfeld (1858 – 1961) proponendo l’idea che le orbite fossereo ellittiche e il nucleo occupasse uno dei due fuochi dell’ellisse.

il 5 aprile del 1913 Bohr pubblica sul “Philosophical Magazine” l’articolo “On the Constitution of Atoms and Molecules” che rappresenta la versione definitiva della sua visione dell’atomo quantizzato, con gli elettroni che circolano su orbite predefinite e su posizioni predefinite. Bohr aveva costruito il suo atomo servendosi di un inebriante cocktail di fisica classica e e quantistica: l’atomo quantistico fu un trionfo della mente sulla materia!

Nel 1932 ad opera di James Chadwick fu scoperto il neutrone, la sua esistenza fu desunta a partire da contraddizioni studiate prima da Walther Bothe, poi da Irene Joliot-Curie e Frederic Joliot. Dopo tutto questo fermento nel mondo della fisica ci stiamo avvicinando alla definzione attuale della configurazione dell’atomo. Tutti i fisici, fin a questo punto conosciuti, erano propensi se non addirittura certi che la natura della luce, sebbene quantizzata, fosse di natura ondulatoria e non corpuscolare. Ho tratto dal libro di Manjit Kumar “Quantum” il seguente brano:

Einstein ammetteva senza difficoltà che la teoria ondulatoria della luce si era dimostrata eccellente nella spiegagazione della diffrazione, dell’interferenza, della riflessione della rifrazione e che non sarebbe stata sostituita da un’altra teoria. Tuttavia questo processo sottolineava Einstein, poggiava sul fatto essenziale che tutti questi fenomeni riguardavano fenomeni ottici e riguardavano il comportamento della luce su un periodo di tempo non trascurabile dove qualunque proprietà corpuscolare non sarebbe apparsa menifesta. La situazione era completamente diversa quando si aveva a che fare con i processi istantanei dell’emissione e assorbimento della luce. Questo era secondo Einstein la ragione per cui la teoria ondulatoria incontrava difficoltà particolarmente gravi a spiegare l’effetto fotoelettrico.

Manjit Kumar “Quantum”

Effetto Compton (Arthur Compton 1892 – 1962)

Arthur Holly Compton era un giovanissimo fisico americano che a soli ventisette anni era stato nominato professore e direttore del Dipartimento di Fisica alla Washington Univeristy di St Louis nel Missouri, le sue ricerche sulla diffusione dei raggi X sarebbero state descritte come il punto di svolta nella fisica del XX secolo!

Quando i raggi X urtavano contro il bersaglio, la maggior parte di essi gli passava attraverso senza deviazioni, ma alcuni venivano diffusi a vari angoli. Erano questi raggi X secondari o diffusi che interessavano a Compton. Voleva verificare se c’era qualche variazione nella loro lunghezza d’onda rispetto a quella dei raggi incidenti. Scoprì che le lunghezze d’onda dei raggi X iffusi erano leggermente maggiori di quelle dei raggi X incidenti. Questa variazione di lunghezza e quindi anche di frequenza significava che i raggi X secondari non erano gli stessi che erano stati sparati contro il bersaglio.

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Abbiamo la conferma dei quanti di luce di Einstein, perchè i dati non combaciavano con la supposta teoria ondulatoria!!!!! Quasi subito si rese conto che la lunghezza d’onda e l’intensità dei raggi diffusi erano quelle che avrebbero dovuto essere se un quanto di radiazione fosse rimbalzato su un elettrone, proprio come una palla di biliardo rimbalza su un’altra. Se i raggi X erano formati da quanti, un fascio di raggi X doveva essere simile a un insieme di a un insieme di di microscopiche palle di biliardo che urtavano il bersaglio. anche se alcune lo avrebbero attraversato senza colpire nulla , altre avrebbero urtato contro gli elettroni all’interno degli atomi del bersaglio. Durante una simile collisione non quanto di raggi X avrebbe perso energia poichè veniva diffuso mentre l’elettrone subiva un rinculo per effetto dell’impatto. Siccome l’energia di un quanto di raggi X è data E=hv dove h è la costante di Planck e v è la frequenza, qualunque perdita di enrgia deve produrre una diminuzione della frequenza. Dato poi che la la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza. la lunghezza d’onda associata a un quanto di raggi X diffuso aumenta.

Il quanto di luce era stato ribattezzato fotone!

tratto da “Quantum” di Manjit Kumar