Scoperta dell’atomo: tutto quello che c’è da sapere

La fisica nel suo insieme è una materia davvero interessante. Essa studia tutto ciò che ci circonda. Ancora più interessanti sono le sue scoperte. E’ affascinante capire come si sia arrivati ad affermare quello che noi oggi diamo per scontato. Di seguito andiamo ad analizzare l’atomo e la sua scoperta.

L’atomo è una struttura nella quale è normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. Più atomi formano le molecole. Mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali i protoni (con carica positiva), i neutroni (privi di carica) e gli elettroni (con carica negativa).

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Era così chiamato perché inizialmente era considerato l’unità più piccola ed indivisibile della materia. Questa credenza era in accordo con la dottrina filosofica dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro nota come teoria dell'”atomismo“. Verso la fine dell’Ottocento, con la scoperta dell’elettrone fu dimostrato che l’atomo era in realtà divisibile. Infatti esso è a sua volta composto da particelle più piccole, alle quali ci si riferisce con il termine di particelle subatomiche.

Andiamo a vedere insieme la sua origine.

La storia dell’atomo

Il modello atomico oggi riconosciuto è l’ultima tappa di una serie di ipotesi che sono state avanzate nel tempo.

Leucippo (v secolo a.C.) fondò una teoria secondo la quale ipotizzò la non continuità della materia. Bensì affermò che la materia stessa fosse costituita da minuscole e indivisibili particelle. Questa teoria venne chiamata “atomismo“. Si supponeva che i diversi “atomi” fossero differenti per forma e dimensioni.

Dopo Leucippo molti ripresero questa teoria, rielaborandola nelle loro discussioni filosofiche. Tra i più noti possiamo citare Democrito (V-IV secolo a.C.) ed Epicuro (IV-III secolo a.C.), e romani, quali Tito Lucrezio Caro (I secolo a.C.). Questa corrente prese il nome di “teoria atomica”.

Democrito propose la “teoria atomica”, secondo cui la materia è costituita da minuscole particelle, diverse tra loro, chiamate atomi, la cui unione dà origine a tutte le sostanze conosciute. Queste particelle erano la più piccola entità esistente e non potevano essere ulteriormente divise: per questo erano chiamate atomi.

In contrasto con questa teoria, Aristotele (IV secolo a.C.), nella teoria della continuità della materia, sostenne che una sostanza può essere suddivisa all’infinito in particelle sempre più piccole e uguali tra loro.
Queste ipotesi rimasero tali in quanto non verificate con metodologie basate sull’osservazione e sull’esperimento.

Il corpuscolarismo è il postulato del XIII secolo dell’alchimista Geber, secondo il quale tutti i corpi fisici posseggono uno strato interno e uno esterno di particelle minuscole. La differenza con l’atomismo è che i corpuscoli possono essere divisi, veniva per questo teorizzato che il mercurio potesse penetrare nei metalli modificandone la struttura interna. Il corpuscolarismo rimase la teoria dominante per i secoli successivi. Tale teoria servì come base a Isaac Newton per sviluppare la teoria corpuscolare della luce.

Teoria atomica nell’età moderna

Solo all’inizio del XIX secolo John Dalton rielaborò e ripropose la teoria di Democrito. Così fondò la teoria atomica moderna, con la quale diede una spiegazione ai fenomeni chimici.

Propose una legge secondo la quale le diverse quantità in peso di un elemento che si combinano con la stessa quantità di un altro elemento. Questo procedimento serviva per formare composti diversi tra loro in rapporti esprimibili mediante numeri interi piccoli (legge delle proporzioni multiple). E ipotizzò quindi che la materia fosse costituita da atomi.

Nel corso dei suoi studi, Dalton si avvalse delle conoscenze chimiche e fisiche che possedeva (la legge della conservazione della massa, formulata da Antoine Lavoisier, e la legge delle proporzioni definite, formulata da Joseph Louis Proust) e formulò la sua teoria atomica, che espose nel libro A New System of Chemical Philosophy (pubblicato nel 1808).

I primi modelli atomici

Con la scoperta della radioattività naturale, si intuì successivamente che gli atomi non erano particelle indivisibili, bensì erano oggetti composti da parti più piccole.

Nel 1902, Joseph John Thomson propose il primo modello fisico dell’atomo. Modello formulato successivamente alle sue ricerche sul rapporto tra la massa e la carica dell’elettrone. Egli immaginò che un atomo fosse costituito da una sfera fluida di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano stati ancora scoperti) in cui gli elettroni (negativi) erano immersi (modello a panettone, in inglese plum pudding model o modello ad atomo pieno), rendendo neutro l’atomo nel suo complesso.

Questo modello fu superato quando Ernest Rutherford scoprì la presenza di un nucleo atomico caricato positivamente.

Nel modello atomico di Rutherford non compaiono i neutroni, perché queste particelle furono successivamente scoperte da Chadwick nel 1932.

L’atomo oggi

Nel 1913 Niels Bohr propose una modifica concettuale al modello di Rutherford. Pur accettandone l’idea di modello planetario, postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite fisse, dette anche “orbite quantizzate”. Queste orbite possedevano un’energia quantizzata (ossia un’energia già prestabilita identificata da un numero detto numero quantico principale N) nelle quali gli elettroni non emettevano né assorbivano energia (questa infatti rimaneva costante). In particolare, un elettrone emetteva o assorbiva energia sotto forma di onde elettromagnetiche solo se effettuava una transizione da un’orbita all’altra, e quindi passava ad uno stato a energia minore o maggiore.

Questa idea, non compatibile con le leggi della fisica classica di Newton, si fondava sulle idee dell’allora nascente meccanica quantistica. Il modello di Bohr spiegava molto bene l’atomo di idrogeno, ma non quelli più complessi.

Sommerfeld propose allora una correzione al modello di Bohr. Secondo cui si aveva una buona corrispondenza fra la teoria e le osservazioni degli spettri della radiazione emessa o assorbita degli atomi.

Ciò nonostante, il modello di Bohr-Sommerfeld si basava ancora su postulati e soprattutto funzionava bene solo per l’idrogeno. Tutto ciò, alla luce anche del principio di indeterminazione introdotto da Werner Karl Heisenberg nel 1927, convinse la comunità scientifica che fosse impossibile descrivere esattamente il moto degli elettroni attorno al nucleo. Motivo per cui ai modelli deterministici fino ad allora proposti si preferì ricercare un modello probabilistico, che descrivesse con buona approssimazione qualsiasi atomo. Ciò fu reso possibile grazie ai successivi risultati della meccanica ondulatoria.

Nel 1932 fu scoperto il neutrone.

Per cui si pervenne presto ad un modello dell’atomo pressoché completo, in cui al centro vi è il nucleo, composto di protoni (elettricamente positivi) e neutroni (elettricamente neutri) ed attorno ruotano gli elettroni (elettricamente negativi).

Fu abbandonato il concetto di orbita e fu introdotto il concetto di orbitale. Secondo la meccanica quantistica non ha più senso infatti parlare di traiettoria di una particella. Da ciò discende che non si può neanche definire con certezza dove un elettrone si trova in un dato momento.

Ciò che è possibile conoscere è la probabilità di trovare l’elettrone in un certo punto dello spazio in un dato istante di tempo. Un orbitale quindi non è una traiettoria su cui un elettrone (secondo le idee della fisica classica) può muoversi. Bensì esso è una porzione di spazio intorno al nucleo definita da una superficie di equiprobabilità, ossia entro la quale c’è il 95% della probabilità che un elettrone vi si trovi.

In termini più rigorosi, un orbitale è definito da una particolare funzione d’onda. Essa è la soluzione dell’equazione di Schrödinger, caratterizzata da tre numeri quantici associati rispettivamente all’energia, alla forma e all’orientamento nello spazio dell’orbitale.

Lo studio del nucleo atomico e dei suoi componenti è legato allo sviluppo della fisica delle particelle; è stato possibile determinare in modo più completo la struttura del nucleo, ad esempio tramite esperimenti con acceleratori di particelle. Secondo il Modello Standard delle particelle, i protoni e i neutroni sono a loro volta formati da quark. La composizione del nucleo e l’interazione di protoni e neutroni all’interno di esso sono descritti da diversi modelli nucleari.

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