Che
cos'è l'atomo?
Il
termine 'atomo' deriva dalla parola greca "atomòs", indivisibile.
I filosofi Democrito ed Epicuro affermarono per primi la
sua esistenza; a chi sostenne tale filosofia vi si presentarono
ovviamente non poche difficoltà: difficoltà sul piano logico
di accettare la presenza di una porzione di materia estesa
ma indivisibile; difficoltà nello spiegare le evidenti differenze
chimiche e fisiche dei vari corpi; difficoltà metafisica
scaturita dalla nozione di clinamen. Per questi motivi
la filosofia atomista venne poi sopraffatta da quella
Aristotelica, accettata e idolatrata nell'arco dei secoli.
Nel
Medioevo accenni agli scontri tra le due filosifie si trovarono
solo nei pensatori arabi; nel XIV sec. in Europa, Nicola
d'Autrecourt riteneva la sua fisica atomista più probabile
di quella aristotelica.
In quella che viene considerata l'età moderna, riferimenti
alla filosofia atomista si hanno talvolta con Giordano Bruno,
Galileo e Bacone. Fu solo con Gassendi che si assistette
ad una vera e propria ripresa dell'atomismo.
Nel
corso del XVIII sec. l'atomo rimase solo una dottrina filosofica.
Solo al termine di esso l'atomo prese una connotazione scientifica,
con Avogadro e Dal ton, ma non si aveva ancora idea riguardo
le particelle che lo costituiscono.
Nel
XIX secolo, poi, furono eseguiti numerosi esperimenti per
determinare molte proprietà della materia. Ma spesso fu
possibile ricavare solo leggi empiriche di cui non era possibile
dare una giustificazione.
Nel
1897, J.J.Thomson fu il primo ad avvicinarsi alla verità,
il quale come conclusione di una lunga serie di esperimenti
realizzò di aver scoperto una nuova particella: l'elettrone.
Sulla base delle sue scoperte egli realizzò un modello,
secondo cui l'atomo era una sfera di raggio 10-10
m circa, contenente al suo interno gli elettroni e,
essendo l'atomo neutro, una massa positiva tale da bilanciare
la carica negativa degli stessi elettroni. Il modello di
Thomson era certamente il più veritiero fino ad allora elaborato,
ma continuava a lasciare parecchi dubbi; nonostante questo,
la maggioranza dei fisici si convinse che questa fosse la
strada giusta.
Deciso
a risolvere i dubbi rimasti, E. Ruherford incaricò due ricercatori
di bombardare con delle particelle a, che oggi sappiamo
essere composte da due protoni e due neutroni,
un sottilissimo foglio d'oro. Secondo il modello di Thomson,
le particelle avrebbero dovuto subire un leggera deflessione
del loro moto rettilineo, nonchè un'altrettanto lieve perdita
di velocità, dato che il campo elettrico all'interno dell'atomo
è sempre molto piccolo.Tramite il suo esperimento, Rutherford
sperava di trovare delle misure più precise circa il modello
del 'collega' rilevabili tramite la misurazione della deflessione.
I
risultati non furono esattamente quelli previsti: non solo
le particelle a deviavano molto più di quanto teorizzato,
ma spesso alcune invertivano addirittura il poprio moto.
Questo fu il commento dello stesso Rutherford:"Fu l'evento
più incredibile che mi fosse mai capitato nella vita. Altrettanto
incredibile come se vi fosse capitato di sparare un proiettile
da quindici pollici su un pezzo di carta velina e questo
fosse tornato indietro a colpirvi."
Dopo
un'attenta analisi Rutherford osservò che l'atomo è composto
da un nucleo caricato positivamente, di raggio circa 10-14m
m, intorno al quale sono distribuiti gli elettroni
fino ad una distanza di circa 10-10m .
Il
modello atomico di Thomson venne quindi sostituito da quello
di Rutherford, ma anche questo lasciava problemi insoluti.
Fu
un giovane fisico danese ad illuminare nel 1913 la strada
verso la verità: Niels Bohor. Di ritorno dal laboratorio
di Rutherford egli propose una soluzione al principale problema
dei vari modelli atomici: quello degli elettroni che lo
compongono. Stando vicino al nucleo, questi risentono dell'attrazione
Coulombiana; se stessero fermi, questa forza di richiamo
li farebbe accelerare, fino a collassare nel nucleo, ma
ciò è impossibile, dato che la materia è stabile. Ma gli
elettroni non potrebbero nemmeno muoversi, dato che in questo
modo rilascerebbero energia cinetica sotto forma di onde
elettromagnetiche. Se così avvenisse, l'elettrone perderebbe
la sua energia in pochi miliardesimi di secondo, finendo
comunque per collassare nel nucleo.
Come
risolse dunque questo apparentemente insormontabile paradosso
il giovane Bohor?
Egli applicò ad alcuni concetti appresi presso il laboratorio
di Rutherford le idee di quantizzazione introdotte da Planck
ed ampliate da Einstain. Ipotizzò che gli elettroni si muovessero
sì attorno al nucleo, ma secondo un moto simile a quello
che della luna attorno alla terra ('modello planetario'),
sostituendo l'interazione gravitazionale con quella elettromagnetica.
Dallo sviluppo di questo modello Bohr dedusse che gli elettroni
atomici sono distribuiti a strati, nel senso che coprono
orbite intorno al nucleo a diverse distanze (come i pianeti
intorno al sole). Per superare il problema dell'emissione
di radiazione elettromagnetica da parte degli elettroni,
suppose che esistessero delle orbite stabili sulle quali
l'elettrone potesse rimanere senza perdere energia. Secondo
quest'idea le orbite dell'elettrone venivano, quindi, quantizzate.
Nonostante
il successo, il modello di Bohor non fu accettato da tutti
i fisici, soprattutto a causa delle 'innovazioni' introdotte
dall'unione della fisica meccanica con quella quantistica.
Lo
stesso Rutherford, il 20 Marzo 1923, rispose così ad una
lettera di Bohor in cui esponeva la sua teoria ed i risultati
ottenuti:
"Le Sue idee sull'origine dello spettro dell'idrogeno
sono molto ingegnose e sembrano funzionare bene; ma la mescolanza
delle idee di Planck con la vecchia meccanica consente molto
difficilmente di formarsi un'idea fisica della base del
discorso. Mi sembra ci sia una grave difficoltà nelle sue
ipotesi, che non penso affatto Le sia sfuggita: come fa
un elettrone a decidere con quale frequenza deve vibrare
quando passa da uno stato stazionario all'altro? Sembra
che debba supporre che l'elettrone sappia in partenza dove
andrà a finire."
Il
modello di Bohor, per quanto ormai vicinissimo alla realtà,
lasciava ancora dei quesiti senza risposta.In seguito Arnold
Sommerfeld riuscì ad ampliare questo modello, generalizzando
ed aumentando le condizioni di quantizzazione imposte da
Bohr. Grazie a queste e ad altre nuove idee i risultati
delle misure sperimentali erano sempre più facilmente spiegabili.
Lo sviluppo della compressione dell'atomo crebbe esponenzialmente,
fin tanto che nel 1932 J.Chadwick pose l'ultimo tassello
nella costruzione definitiva del modello atomico, scoprendo
il neutrone.
La
struttura dell'atomo
Intorno
al 1870, indipendentemente l'uno dall'altro, i fisici D.L.Mayer
e D.I.Mendeleev trovarono un sistema per catalogare le varie
specie di atomi su un sistema basato, a loro insaputa, sul
numero di elettroni atomici.Oggi sappiamo che gli atomi
sono composti da un nucleo molto piccolo (raggio 10-14
m) composto da neutroni e protoni, che costituisce la parte
più massiva, circondato da una nuvola di elettroni che gli
gira intorno fino ad una distanza di circa 10-10
m. Neutroni e protoni sono tenuti insieme, vincendo la repulsione
elettrica tra le cariche positive, grazie alle interazioni
forti, mentre gli elettroni rimangono legati all'atomo a
causa dell'interazione elettromagnetica. Esistono in natura
circa un centinaio di tipi di atomi e ne vengono creati
di nuovi nei moderni laboratori di fisica.
Ogni
specie è differenziata dalle altre da un diverso numero
di protoni (e, essendo l'atomo neutro, di elettroni). Ogni
atomo ha un nome ed un simbolo che lo caratterizza, introdotti
quando ancora non se ne conoscevano le proprietà e mantenuti
per comodità.
Ogni
simbolo è accompagnato di solito da un numero atomico
Z (indicante il numero di cariche elettriche negative
ed utilizzato per la classificazione di Mendeleev) ed il
numero di massa A, secondo lo schema:  .
Ogni
specie è diversa da un'altra al variare di Z; questo
non accade invece con il numero di protoni: è infatti possibile
che all'interno della stessa specie siano presenti atomi
con diverso A. Queste sottospecie degli atomi sono
chiamate isotopi. Gli isotopi possono essere stabili
o decadere, con tempi più o meno lunghi, in nuovi atomi
fino ad arrivare ad una configurazione stabile ("decadimento
radioattivo dei nuclei atomici").
Ad
esempio, l'elemento 
è un atomo di carbonio 12 con 6 neutroni, 6 protoni e 6
elettroni, mentre l'elemento 
è un atomo di carbonio 14 con 8 neutroni, 6 protoni e 6
elettroni. Entrambi sono isotopi del carbonio (anche se
diversi), ma il carbonio 12 è un isotopo stabile, mentre
il carbonio 14 non lo è. Il fatto che un atomo sia naturalmente
stabile, non preclude la possibilità che la sua carica elettrica
possa però variare. Nel caso in cui si abbia un eccesso
di elettroni, e quindi maggior carica negativa rispetto
a quella positiva, si ottengono degli ioni negativi.
Nel processo inverso, in cui si ha una predominanza di protoni,
si ottengono degli ioni positivi.
In
conclusione, il nucleo è sempre formato da due diversi tipi
di particelle: i neutroni ed i protoni (detti anche nucleoni).
Ne deriva che questo ha sempre una carica positiva.
Il nucleo è quindi caratterizzato da due costanti:
Il
già citato numero Z dei suoi protoni, che varia da
1 (l'atomo di idrogeno H), a oltre 100. E' questo a determinare
la carica del nucleo, secondo la relazione Z x e.
La
sua massa è quasi esattamente proporzionale al numero totale
di nucleoni:
A = Z + N (dove N è il numero dei neutroni) e vale all'incirca
(Z + N) x M = A x M, poichè le masse M ed M' del protone
e del neutrone sono quasi uguali. Si assume quindi, come
già scritto, A come numero di massa dell'elemento
considerato, ed M come unità di massa.
|
