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Storia dei modelli atomici

Viaggio attraverso la storia che ha portato alla definizione dell'attuale modello atomico
by

Paolo Bussei

on 8 October 2012

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Transcript of Storia dei modelli atomici

Democrito di Abdera (460 - 370 a.C.) Il primo autore di un trattato coerente sulle particelle "elementari" della materia, dal titolo ancora attualissimo Microcosmo.

L’originalità della filosofia di Leucippo-Democrito si basava su due assunti fondamentali:
l’accettazione dell’esistenza dello spazio, che contiene in sé sia gli oggetti stazionari che quelli in movimento, e perciò può essere sia pieno che completamente vuoto;
l’aver stabilito che la frantumazione degli oggetti macroscopici deve avere un limite -> atomi

Per spiegare la Natura bisogna ricorrere alla
osservazione e al ragionamento Thomson applicò contemporaneamente un campo magnetico e uno elettrico, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dei raggi catodici.
Modulò opportunamente l’intensità dei due campi, in modo che i loro effetti si annullassero e i raggi catodici procedessero non deviati in modo da poter ricavare la velocità delle particelle [ ]

Thomson variò anche le condizioni sperimentali, ma trovò che il valore di e/m era indipendente dal materiale usato per il catodo, dal tipo di gas entro il tubo e dalla sua pressione.

I suoi risultati confermavano quelli ottenuti da Wiechert nello stesso anno.

Ne dedusse che la massa delle particelle che costituiscono i raggi catodici dovesse essere molto più piccola di quella degli atomi comuni. L’osservazione che queste radiazioni permettevano di registrare su lastra immagini delle ossa e dello scheletro suscitò grande interesse, sia presso la stampa ordinaria sia presso quella scientifica:
Nature ( ) pubblicò la traduzione completa del suo articolo il 23 gennaio,
Science il 14 febbraio.

Tale entusiasmo era evidentemente originato dalla possibilità (esplorata già nei primi mesi del 1896) di utilizzare questa tecnica in medicina.

Il 1 Febbraio dello stesso anno, il Giornale di Sicilia riferì di una pubblica dimostrazione di questa tecnica fotografica dei corpi opachi, tenuta, nell’aula di clinica chirurgica dell’Università di Palermo, dal clinico Iginio Tannini (1855-1943) insieme ai fisici Damiano Macaluso e Orso Maria Corbino. MODELLI
ATOMICI Non sappiamo quando l’uomo abbia cominciato a interrogarsi sulle origini del mondo e dei fenomeni naturali che avvenivano attorno a lui; forse già l'uomo primitivo comincò a chiedersi il perché delle cose per la sua stessa sopravvivenza.

In genere, l’origine del mondo, era attribuita a un atto creativo, dal nulla o da qualche sostanza primordiale, da parte di una divinità, o altro ente superiore.

Si fece strada l’idea che tutte le cose consistessero di principi contrari e opposti:
Osiride e Iside, in Egitto
Baal e Istar in Mesopotamia
Ahura Madza e Arhiman in Persia
I Cinesi non associavano alcuna divinità ai principi contrari, yin e yang 4000 - 3000 a.C. XIII sec. aC Nel primo libro della Genesi, la Creazione è descritta come separazione della materia primordiale in due sostanze contrarie, dalle quali si formavano poi tutte le cose (luce/buio, cielo/terra, ecc.) creazione di Adamo, Cappella Sistina 600 aC Il pensiero scientifico greco sin dal suo nascere, al contrario, risultò svincolato da qualunque religiosità o dogma teologico.

Questo fu un vantaggio, perché la filosofia naturale nacque e si sviluppò in piena libertà.

I tentativi di formulare una spiegazione razionale dell’origine del mondo furono improntati, sin dall’inizio, a un criterio di semplicità: la Natura nasconde un ordine

Spinti da questa esigenza di economia mentale i filosofi naturalisti greci cercarono di identificare le cause materiali, che spiegassero perché le cose sono come sono; postularono che il Tutto fosse originato dall’Uno e che il mondo intero costituisse un’unità armoniosa: arché Il problema di identificare i componenti ultimi della materia è stato affrontato seguendo due differenti approcci:
uno, strutturale, che potremmo definire fisico,
l’altro più tipicamente chimico.

Essendo stati spesso mescolati e confusi, i due approcci hanno dato risultati contrastanti e non conciliabili, proprio per la diversa impostazione problematica

Così, fino alla fine del XVIII secolo ad esempio, non si riuscì a chiarire la differenza tra i concetti di atomo ed elemento.

Le filosofie greche possono classificarsi in moniste o pluraliste, in funzione del numero di principi che pongono alla base della costituzione della materia, o in continuiste o corpuscolari, a seconda che considerino la materia un tutto continuo o discreto. Talete di Mileto (624 - 546 a.C.) Ritenne che l’acqua fosse il principio componente di ogni cosa, che conferisce alla materia i differenti stati fisici, visto che può assumere forma solida, liquida o di vapore. IL PRINCIPIO UNICO Anassimandro (611 - 545 a.C.) Propose l’apeiron, (senza confini), indefinito e infinito, dal quale tutte le cose si generano e al quale tutto ritorna, come effetto di un movimento eterno, attraverso una dissociazione di opposti (caldo/freddo). Anassimene (585 - 528 a.C.) tornò a Talete, perché sostituì l'apeiron, troppo indeterminato, con l’aria che, attraverso i processi di condensazione e rarefazione, associati a una diminuzione o un aumento di temperatura, poteva trasformarsi, rispettivamente in acqua, terra e pietra, o in fuoco. Eraclito di Efeso (540 - 480 a.C.) Propose il fuoco, dal quale è nato tutto il resto, che trasforma le sostanze ed è l’essenza di tutte le cose. Tuttavia, poiché il fuoco non è statico, ma qualcosa di sempre mutevole, Eraclito postulò una dinamica perpetua dell’essere, ponendo alla base di tutti i fenomeni uno stato continuo di flusso (panta rei). Nel mondo si realizza una armonizzazione di tensioni opposte. Parmenide di Elea (520 - 440 a.C.) Fu il primo a formulare il concetto di essere, la faccia nascosta della Natura, ciò che esiste al di là delle qualità osservabili, e può essere concepito solo dal puro intelletto.
Questo, non solo mise in crisi le concezioni moniste, ma, rifiutando i concetti di divisibilità e discontinuità della materia e del vuoto, fornì argomenti forti per rigettare poi i capisaldi delle teorie atomistiche. Anassagora di Clezomene (499 - 428 a.C.) propose che la materia fosse infinitamente divisibile (sia nello spazio che nel tempo) e che la divisione generasse un sistema costituito da infinite specie elementari, semi, ciascuno dei quali manteneva le proprietà dell’intero (le parti erano simili al tutto). Ogni corpo risultava dal miscuglio di tutte le materie come legno, ferro, ecc., ma assumeva l’aspetto (e il nome) di quella predominante. GLI ELEMENTI Empedocle di Agrigento (492 - 435 a.C.) unificò le teorie pluraliste per mantenere l’immutabilita dell’Essere di Parmenide. Introdusse nella scienza greca la concezione corpuscolare, secondo la quale i corpi macroscopici sono tutti aggregati di particelle elementari, ciascuna delle quali è eterna, immutabile e senza movimenti o parti al suo interno, ed è separata dalle altre da pori (e non dal vuoto).
Ogni corpo materiale può essere diviso meccanicamente molte volte, fino a quando non si separano le particelle appartenenti a quattro diverse sostanze primordiali: acqua, aria, terra e fuoco Anche le culture orientali svilupparono concezioni pluraliste della Natura:

i Cinesi individuarono cinque elementi (legno, metallo, acqua, terra e fuoco)

gli Indiani nove, cinque materiali (acqua, terra, fuoco, aria, etere) e quattro immateriali (tempo, spazio, anima, senso), costituiti da atomi indivisibili e diversi per ciascuna sostanza, dal cui raggruppamento si originavano i vari composti. Pitagora di Samo (570 - 496 a.C.) il principio di tutte le cose, l’archè, andava cercato nei numeri interi, intesi come punti geometrici, raffigurabili spazialmente L'ATOMISMO In accordo con Parmenide, gli atomi erano non creati, eterni e immutabili, fatti di un’unica sostanza, e ciascuno di essi costituiva un continuo omogeneo (cioè privo di spazi vuoti e di moti all’interno); erano in numero infinito e avevano infinite forme e dimensioni, per cui era garantita la pluralità degli enti.

Gli atomi si differenziavano l’uno dall’altro per tre caratteristiche geometriche, forma (alcuni erano lisci e sferici, altri aguzzi e scabrosi, altri ricurvi o uncinati), contatto (l’ordine in cui erano disposti), e direzione (la posizione in cui si trovavano).

In una sorta di anticipazione della moderna teoria cinetica, erano dotati di un moto vorticoso, intrinseco e continuo, regolato da una precisa legge naturale, e non dal caso, come fu a lungo e ingiustamente rimproverato agli atomisti.
Come tutte le teorie corpuscolari, l’ipotesi atomica dovette affrontare il nodo della natura dei corpuscoli e delle loro relazioni con i differenti aspetti dei corpi macroscopici. Socrate (470 - 399 a.C.) Il rifiuto del materialismo degli atomisti toccò il suo apice con Socrate che respinse il metodo induttivo - sperimentale come strumento per giungere alla verità, convinto che la costituzione essenziale della Natura potesse essere compresa solo per deduzione, attraverso la riflessione intellettuale. IL RIFIUTO DELL'ATOMISMO Platone (428 - 348 a.C.) Discepolo di Socrate, formulò una teoria originale sulla struttura interna della materia, fondendo le dottrine di Eraclito, Parmenide, Empedocle e, soprattutto l’idea pitagorica che i numeri avessero una consistenza materiale

Platone attribuì una struttura corpuscolare alla materia e racchiuse l’essenza delle particelle elementari entro le loro superfici.
Le caratteristiche specifiche di ciascun elemento dipendevano dalle forme ideali delle loro rispettive particelle, corrispondenti a quattro dei cinque poliedri regolari; il quinto, il dodecaedro, servì a Dio per completare il disegno dell’Universo. Keplero, nella sua opera Mysterium Cosmographicum (1596) riprende l'indagine di Platone attorno al senso dei poliedri regolari nella struttura del mondo.

« La Terra è la sfera che misura tutte le altre. Circoscrivi ad essa un dodecaedro: la sfera che lo comprende sarà Marte. Circoscrivi a Marte un tetraedro: la sfera che lo comprende sarà Giove. Circoscrivi a Giove un cubo: la sfera che lo comprende sarà Saturno. Ora iscrivi alla Terra un icosaedro: la sfera iscritta ad essa sarà Venere. Iscrivi a Venere un ottaedro: la sfera iscritta ad essa sarà Mercurio. Hai la ragione del numero dei pianeti.». Aristotele (384 - 323 a.C.) Allievo di Platone, rigettò la separazione tra mondo reale e mondo ideale; la sua concezione della Natura poggiava su un legame indissolubile tra materia e forma.

A differenza degli atomisti, ritiene che noi percepiamo il mondo esattamente come esso è, attraverso le qualità, che sono proprietà intrinseche dei diversi corpi. GLI ALCHIMISTI Le teorie aristoteliche sulla composizione della materia furono accettate per circa duemila anni, ispirando e incoraggiando la pratica alchemica, pur subendo modificazioni sempre piu sostanziali, per accordarsi meglio con i risultati sperimentali. GLI ARABI Siriani e Egiziani trasmisero la filosofia greca agli Arabi, che accettarono le teorie di Aristotele, non ultime quelle naturalistiche, più vicine ai loro interessi, di carattere prevalentemente empirico.

Sotto l’influsso dei cinesi, diedero enfasi al concetto di medicina, o elisir, che gli Europei avrebbero chiamato pietra filosofale, che doveva aiutare a realizzare la corretta proporzione dei principi, curare le malattie e, infine, vincere la morte. Abu Ali ibn Sina - detto Avicenna (908 - 1037) in netto contrasto con quanto affermato da Aristotele, riteneva che le forme degli elementi si mantenessero dopo la formazione dei composti, anche se le loro qualità subivano una remissio, un indebolimento della loro intensità Averroè (1128 - 1196) riprese il concetto aristotelico di minima naturalia, mattoni costituenti, qualitativamente e quantitativamente specifici di ogni sostanza, indispensabili perché le sostanze esercitassero la loro azione specifica.

aveva una forte connotazione religiosa e tendeva a dimostrare l’onnipotenza e l’assoluta liberta di Dio e il suo controllo continuo sugli eventi. L'ATOMISMO MEDIOEVALE Vaghi accenni, spesso critici, che ne fanno diversi autori cristiani come Lattanzio e Agostino, testimoniano come il concetto di atomo, pur subendo una profonda recessione, fosse ancora presente nella cultura dell’Europa medievale. Gli autori che, in questo periodo, si interessavano all’atomismo possono essere divisi in tre categorie:
i cronicisti [Isidoro da Siviglia ( 560 - 636), venerabile Beda (672 - 735), Vincent de Beauvais (1190 - 1264)]
i simpatizzanti [Adelardo di Barth (m 1150) e Thierry di Chartres (m 1155)]
i proponenti [William di Conches (1080 - 1154) e Guglielmo di Ockham (1300 - 1350)]

Il coraggioso atteggiamento di questi difensori dell’atomismo assicuro la continuità dei concetti, in tempi nei quali la capacità di pensare in maniera indipendente non era guardata con simpatia. Tuttavia, a differenza degli Arabi, essi non seppero arricchire la teoria con innovazioni personali. Tommaso d'Aquino (1225 - 1274) partendo dalla considerazione che fede e ragione non dovrebbero contraddirsi l’un l’altra, aiutò la Chiesa a superare la sua iniziale ostilità nei confronti del razionalismo di Aristotele.

Tommaso rielaborò le teorie aristoteliche, introducendo il concetto di in- terazione di forma e materia.

La questione si arricchì di contenuti teologici con la disputa intorno al dogma cattolico della transustanziazione Nella teologia cattolica, la totale conversione della sostanza del pane e del vino nella sostanza del corpo e del sangue di Cristo, che si attua per l’onnipotenza divina nella consacrazione durante la messa. Non deve sorprendere, allora, che durante il XVI e XVII secolo la teoria sia stata, in qualche modo, soppiantata da una primitiva forma di atomismo, riportata all’attenzione degli intellettuali rinascimentali dal ritrovamento, da parte di Poggio Bracciolini (1417), del manoscritto del De rerum natura, che portò alla ribalta la concezione atomistica e il problema della composizione della materia.

I tempi erano maturi perché le speculazioni dei filosofi e quelle dei chimici sperimentali si differenziassero. IL RINASCIMENTO Introdusse, anche in Medicina e Chimica, un nuovo
modo di interpretare i fenomeni naturali, basato sugli
esperimenti e le pratiche di laboratorio: propose di
unificare la teoria dei quattro elementi con quella del
principio attivo (mercurio) e passivo (zolfo), cui aggiunse il principio mediatore (sale) in modo da costituire i tria prima (di possibile ispirazione trinitaria).

Questi principi non rappresentavano sostanze concretamente individuabili,ma soltanto matrici, o archetipi, di natura spirituale, nascosti nei corpi naturali, cui conferivano caratteristiche e qualità. Paracelso (1493 - 1541) Con la Riforma luterana e la messa in discussione, oltre che dei dogmi di fede, della guida religiosa, politica e culturale della Chiesa Cattolica, anche Aristotele cominciò a subire i primi seri attacchi, e furono rivalutate le concezioni corpuscolari, che divennero il punto di riferimento per tutti quei filosofi cui la visione aristotelica, imperante nelle scuole,
non sembrava conciliabile con i fatti sperimentali. Giordano Bruno (1548 - 1600) Riteneva che tutti i corpi naturali fossero costituito da
monadi, invariabili e impenetrabili, che possono
aggregarsi o disgregarsi. IL SEI-SETTECENTO All’inizio del ’600, l’atomistica non aveva ancora una connotazione scientifica, ma rimaneva nel campo dell’astrazione filosofica.

Anche se, nel 1624, il parlamento aveva decretato la condanna a morte di chi sosteneva o insegnava teorie opposte a quelle di Aristotele, Parigi era il centro europeo della filosofia corpuscolare. Galileo Galilei (1564-1642) Fu il primo dei grandi filosofi naturali che rielaborò le idee degli atomisti classici: ammise l’esistenza del vuoto e accettò l’ipotesi atomistica. Ne Il Saggiatore, discusse la natura del calore, identificandone l’origine nel movimento e distinse le qualità primarie dei corpi, realmente presenti negli oggetti, da quelle secondarie, frutto dalla loro interazione con l’osservatore Pierre Gassendi (1592 - 1655) Amico di Galilei e Keplero, riuscì a conciliare l’insegnamento della Chiesa con le teorie corpuscolari, liberando il dibattito sulla teoria atomica dalle preoccupazioni di ordine teologico e metafisico Nel XVII secolo, la Meccanica conobbe un grande sviluppo, grazie ai contributi di Pascal, Cartesio, Galilei, Huygens e Newton.

Questo favorì il tentativo di assoggettare alle sue leggi tutti i fenomeni naturali e, in particolare, di spiegare anche le reazioni chimiche come effetto del movimento delle particelle, realizzando quella spiegazione unitaria dei fenomeni naturali cercata da almeno due millenni. René Descartes (1596 - 1650) elaborò una concezione meccanicistica del mondo, basata su una materia unica, che aveva soltanto due attributi, l’estensione (e una forma) e il movimento.

L’idea del vuoto va rigettata. Di conseguenza, Cartesio rigettava pure gli atomi, anche perché, nella sua onnipotenza, Dio può ulteriormente suddividere qualsiasi particella, per quanto piccola possa essere.Dopo aver stabilito che lo spazio è completamente pieno, sorprendentemente Cartesio formulò una teoria corpuscolare della materia, composta da piccole parti, in teoria divisibili all’infinito, ma in realtà di dimensioni finite, le cui sole caratteristiche importanti sono forma, posizione e movimento. Robert Boyle (1627-1691) Cercò di rifondare la Chimica, utilizzando un approccio prevalentemente sperimentale.

Nella sua filosofia meccanicistico - corpuscolare, di chiaro stampo cartesiano, le particelle fondamentali erano state create da Dio, a partire dalla materia prima. Esse presentano una moltitudine di
forme diverse, si muovono nel vuoto (uno spazio
completamente privo di materia).

Soprannominato "il chimico scettico" dal titolo di una
sua opera, perché dubitava delle vecchie teorie. Isaac Newton (1642-1727) Nuovi contributi alle teorie corpuscolari vennero da Newton che, negli anni compresi tra la pubblicazione dei Principia (1687) e quella dell’Ottica (1704), si dedicò intensamente allo studio e alla sperimentazione alchemica.

Mise a punto una teoria estremamente elaborata, basata sull’ipotesi che tutti i corpi macroscopici fossero formati da particelle primordiali chiamate minima, molto somiglianti agli atomi di Democrito ed Epicuro, separate da pori assolutamente vuoti.

Mentre i suoi predecessori, Boyle incluso, avevano dato enfasi alla forma delle particelle, tenute insieme da ganci, scabrosità delle superfici o movimenti coordinati, Newton formulò una teoria dinamica: le particelle sono tenute insieme da forze attrattive di tipo particolare. Leonard Euler (1707 - 1783) Cercò di unificare la teoria atomica con quella degli elementi chimici.

Propose di caratterizzare ciascun elemento assegnandogli particelle indivisibili aventi proprietà simili e capaci di esercitare identicaazione. La logica conseguenza di questa definizione è che esistono, non tre o quattro elementi, ma tanti quanti sono i tipi differenti
di atomi esistenti in natura. Ruggero Giuseppe Boscovich (1711 - 1787) Avanzò l’ipotesi che gli elementi primi fossero omogenei, indivisibili e impenetrabili, dispersi nel vuoto, che non potessero venire a contatto tra di loro, molto simili a punti geometrici privi di estensione, semplici centri di attrazione o repulsione.

L’aspetto più interessante della teoria sta nel fatto che le forze reciproche che si esercitano tra questi punti possono essere repulsive o attrattive, a seconda della distanza che li separa. IL SETTE - OTTOCENTO Alla fine del ’700, il metodo scientifico di indagine era stato universalmente adottato dai chimici e fisici e la pratica di misurare masse e volumi nel corso degli esperimenti era ampiamente diffusa. Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) Per l’enfasi che diede sempre alla sperimentazione,
Lavoisier preferì non partecipare al dibattito sulla
struttura particellare della materia e tenere ben
separato il piano microscopico, non accessibile
sperimentalmente, da quello macroscopico, nel quale
operano le reazioni chimiche. John Dalton (1766-1844) Insegnante di Manchester realizzò quel salto concettuale che avrebbe consentito di accedere alla realtà invisibile che si cela dietro i fenomeni visibili.

Interessato alle miscele gassose, riprese il modello particellare di Newton e l’ipotesi di Eulero, che ciascun corpo semplice fosse
caratterizzato da particelle microscopiche differenti,
tutte eguali tra di loro, e differenti da quelle degli
altri elementi. Essendo inaccessibile la dimensione atomica, la procedura doveva essere riportata su scala macroscopica, paragonando quantità misurabili dei diversi elementi che contengono lo stesso numero di atomi.

La costanza dei rapporti tra le masse dei diversi reagenti ben si accordava con l’ipotesi che le particelle integranti si formassero dall’unione di atomi indivisibili dei diversi elementi.

L’impresa di determinare i pesi relativi delle particelle ultime si rivelò, però, piu complicata del previsto e costituì il tallone d’Achille della teoria atomica, rischiando di comprometterne l’accettazione presso la comunità scientifica. Il dibattito sull'atomismo A dispetto del proliferare di tecniche sperimentali per la determinazione dei pesi atomici, le difficoltà concettuali permanevano alimentando il dibattito sull’esistenza, reale o fittizia, degli atomi e sulle loro proprietà.

I fisici ritenevano la teoria troppo primitiva, perché, a differenza di quella newtoniana, si basava su un’entità poco caratterizzata, della quale, a parte il peso (e con notevole incertezza), non era nota né la struttura interna, né la natura del loro legame, né le cause delle reazioni. Persino negli anni tra il 1840 e il 1860, mentre illustri fisici come Herepath, Joule, Clausius, Waterston e Maxwell determinavano le dimensioni e la velocità delle particelle di gas, ancora non si accettava la realtà degli atomi e si riteneva che l’atomo concepito dai chimici (unità di composizione) fosse differente da quello dei fisici (unità di costituzione).

Anche molti chimici prestigiosi, quali Kekulé, Frankland, Gerhardt e Kolbe, non credevano nell’esistenza materiale dell’atomo chimico.

Ancora nel 1890 gli illustri chimici August Hofmann e Wilhelm Ostwald, padre della chimica - fisica, lo ritenevano niente di più che un’utile fantasia. L’impossibilità di di arrivare a una tabella condivisa dei pesi atomici, asse portante della teoria, dipendeva dal fatto che, pur in presenza di indizi molto forti, la maggior parte dei chimici rifiutava l’idea di molecole elementari biatomiche.

La comunità scientifica assunse tre diversi atteggiamenti nei confronti della teoria atomica:
a) accettare la realtà del mondo atomico;
b) assumere una posizione di cauta neutralità;
c) rigettarla, a priori, o, almeno, negare possibilità di poterne mai provare la validità. FINE OTTOCENTO Alla fine dell’Ottocento, quando ancora molti autorevoli chimici e fisici erano scettici sulla effettiva esistenza degli atomi, nuove evidenze sperimentali sembravano suggerire una struttura complessa per quegli atomi che, da Democrito a Dalton, erano sempre stati concepiti eterni, immutabili, indistruttibili e, soprattutto, indivisibili.

Nel 1869 Dmitrij Ivanovič Mendeleev (1834 – 1907)
pubblica la tavola periodica degli elementi allora
conosciuti (una sessantina). L'unità di carica elettrica Nonostante fosse molto piu piccolo di protoni e neutroni, l’elettrone fu il primo costituente dell’atomo ad essere individuato e la sua esistenza dovette essere ammessa, prima ancora che esso potesse essere effettivamente isolato ed osservato.

L’ipotesi che potesse esistere una particella recante la carica elettrica fondamentale fu la logica conseguenza delle implicazioni insite nei due passaggi fondamentali nell’evoluzione dell’elettrochimica:
l’enunciato delle leggi dell’elettrolisi da parte di Faraday (1834)
la formulazione della teoria della dissociazione elettrolitica da parte di Arrhenius (1884). Da queste leggi, il fisico irlandese George Johnstone Stoney (1826-1911), nel 1881, aveva dedotto che, come la materia, anche l’elettricità fosse costituita da unità discrete.

Il 5 aprile del 1881, nel corso di una Faraday Lecture,
il fisico tedesco Hermann von Helmholtz
(1821-1894) affermò che, se si accetta la teoria
atomica della materia, non si può fare a meno di
concludere che anche l’elettricità e divisa in definite
porzioni elementari, che si comportano come atomi
di elettricità.

Nel 1891, Stoney propose di chiamare questi
portatori della carica elettrica unitaria elettroni L’ipotesi di Helmholtz, che l’elettricita fosse qualcosa di materiale, composta da particelle elementari, era in netto contrasto con la teoria, formulata tra il 1864 e il 1867 da James Clerk Maxwell (1831-1879): sebbene ancorati ai corpi elettricamente carichi o magnetizzati, i campi elettrici e quelli magnetici possono esistere e propagarsi nello spazio, sotto forma di onde elettromagnetiche, o perturbazioni dell’etere. La scarica elettrica nei gas Era noto da secoli che i gas erano cattivi conduttori dell’elettricità, a meno che non siano sottoposti a tensioni molto elevate, come quelle che generano i fulmini; si era osservato anche che la loro conducibilità migliora al diminuire della pressione del gas.

Nel 1676, il sacerdote e astronomo francese Jean Picard (1620-1682), agitando casualmente un barometro a mercurio, aveva notato, nella zona vuota, una luminescenza che chiamò fosforo mercuriale, ritenendo che fosse causata dalla presenza del mercurio.

Agli inizi del ’700, Hauksbee dimostrò che il mercurio non era necessario Le indagini sistematiche su questi fenomeni furono iniziate nel 1838 da Faraday.

All’inizio degli anni ’50, Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877) costruì il rocchetto di induzione, che costituiva una sorgente molto più economica ed efficiente, sia dei generatori elettrostatici, che di batterie di migliaia di pile voltaiche messe in serie. Geissler introdusse vari tipi di gas nei tubi evacuati, studiandone il comportamento sotto l’azione delle scariche elettriche ad elevate tensioni: il colore della luminescenza variava al variare del gas

Nel 1858 Julius Plucker (1801-1866) realizzò pressioni inferiori a 0,001 atm e notò che la luminosità diffusa si era trasformata fino ad assomigliare a raggi rettilinei, che emanavano dal catodo

Muovendo un magnete in prossimità del tubo di
vetro, si poteva deviare il percorso dei raggi Un contributo determinante, sia dal punto di vista sperimentale che teorico, lo diede William Crookes (1832-1919)

nel 1879, formulo l’ipotesi che i raggi catodici consistessero in un flusso, o torrente molecolare, costituito dalle poche molecole di gas rimaste nel tubo dopo l’evacuazione; esse erano state caricate elettricamente dagli urti contro il catodo o, più verosimilmente, come proposto da Shuster e Perrin, dal forte campo elettrico esistente nei pressi del catodo. I raggi catodici: onde o particelle? Nel ventennio successivo, molti fisici, soprattutto inglesi e francesi, cercarono di dimostrare sperimentalmente la natura particellare dei raggi catodici:
possono far muovere, nella loro stessa direzione di propagazione, leggerissimi mulinelli di mica, come dimostrato da Crookes,
non possono attraversare sottilissimi fogli di quarzo, come dimostrato dall’ombra che essi proiettavano sulla parete fluorescente di vetro.

Tuttavia, si erano ottenuti anche risultati sperimentali che sembravano negare la natura corpuscolare dei raggi catodici (perturbazione dell'etere)

Il più convinto sostenitore della teoria ondulatoria era Heinrich Hertz (1857-1894) Tuttavia, la maggior parte degli esperimenti, piuttosto che confermare la natura ondulatoria, mettevano in discussione la teoria corpuscolare: Phillip Eduard Anton von Lenard (1862-1947), dimostrò che, interponendo sulla traiettoria dei raggi un foglio di alluminio (circa 3 μm) la luminescenza sul vetro continuava a manifestarsi.

Inoltre, intorno al 1891, sostituendo con un foglio
di alluminio la parete di vetro del tubo opposta
al catodo, la luminescenza si manifestava anche
al di fuori del tubo, nell’aria, fino a un pollice di
distanza. Joseph John Thomson (1856-1940), professore di Fisica al Cavendish Laboratory dell’Universita di Cambridge, avanzò l’ipotesi che i raggi catodici potessero attraversare i fogli di alluminio perché costituiti da particelle di dimensioni estremamente ridotte, che stimava circa centomila volte piu piccole di quelle delle molecole d’aria.

Piu convincenti risultarono gli esperimenti effettuati intorno al 1895 dal fisico francese Jean-Baptiste Perrin (1870-1942).

Pochi dubitavano che egli avesse effettivamente individuato delle cariche negative, ma i fisici tedeschi continuarono a credere che non fosse ancora stato dimostrato, al di là di ogni ragionevole dubbio, che le cariche fossero indissolubilmente legate ai raggi luminosi, qualunque cosa essi fossero. I raggi X Mentre la disputa si faceva sempre piu accesa, si scopriva che esisteva un ulteriore tipo di radiazione, dal comportamento più simile a quello della luce, ma che, non essendo visibile, era sfuggito agli utilizzatori dei tubi di Crookes

Crookes aveva notato che alcune lastre fotografiche non impressionate, rimaste in prossimità dei tubi, apparivano annerite e appannate, ma ritenne trattarsi di esemplari difettosi e, perciò, li restituì al fornitore.

Così toccò a Wilhelm Conrad Rontgen (1845-1923) identificare questo nuovo tipo di radiazione. I comportamenti osservati non erano attribuibili né ai raggi catodici, che non uscivano dal tubo per più di un paio di centimetri, né alla radiazione luminosa visibile, perché il tubo era avvolto nel cartoncino nero;

Rontgen avanzò l’ipotesi che fosse stato prodotto un nuovo tipo di radiazione che chiamò raggi X, non sapendo di cosa si trattasse.

I risultati furono riportati il 28 Dicembre 1895

Come già notato da Crookes, i raggi impressionavano le lastre fotografiche e, come dinostrò Rontgen, non erano deviati dai campi magnetici, e tutti materiali da essi colpiti emettevano una nuova radiazione X, che chiamò secondaria. La radioattività In pochi mesi numerosi scienziati in Europa iniziarono a studiare i raggi X, e, anche in questo caso, si accese una disputa sulla loro natura, ondulatoria o particellare?

Henri Antoine Becquerel (1852-1908), esperto di fluorescenza e fosforescenza, si chiese se i minerali fluorescenti fossero in grado di emettere raggi X insieme alla fluorescenza.

Quello che Becquerel non si aspettava, fu il fatto che il minerale impressionava la lastra, anche se non era stato esposto al sole, in contrasto con la convinzione diffusa che la fluorescenza potesse essere emessa solo dopo che il minerale avesse assorbito energia da una sorgente esterna. Lasciò un sale di uranio al buio per due mesi, ma esso lasciava ancora sulla lastra fotografica una macchia brillante come quella registrata il primo giorno.

Una giovane laureanda della Scuola Municipale di fisica e Chimica Industriale di Parigi, Maria Sklodowska (1867-1934), chiamò radioattività questo fenomeno di emissione spontanea, suggerendo che esso fosse di origine atomica ...

... e dovevano essere eterni, immutabili e indivisibili !! NOVECENTO Al volgere del XX secolo, i fisici avevano dunque a disposizione 2 tipi di raggi, dalla natura ancora piuttosto misteriosa:
non era ancora chiaro se essa fosse particellare o ondulatoria;
se la carica elettrica, che si muoveva tra i due elettrodi, fosse inscindibile dalla radiazione luminosa e dagli effetti di fluorescenza;
si trattasse di due fenomeni indipendenti che si manifestavano contemporaneamente.

Un chiaro indizio a favore della natura particellare sarebbe stata la possibilità di determinarne la massa, ma questo non poteva essere realizzato senza conoscere la carica elettrica ad essa associata. Schuster cercò di calcolare la velocità dei raggi catodici dall’accelerazione impressa loro dal campo elettrico generato tra gli elettrodi del tubo di scarica.

Nel 1890, ottenne un primo valore che rappresentava un risultato stupefacente, perché era più di mille volte maggiore di quello ricavabile, mediante esperimenti di elettrolisi, per la più leggera particella fino ad allora conosciuta, lo ione idrogeno.

Ne derivava che, o i raggi catodici avevano una carica estremamente elevata o una massa straordinariamente piccola, o entrambe le cose. J. Emil Wiechert (1861-1928), il primo fisico tedesco a rifiutare la teoria della perturbazione dell’etere a favore del modello particellare, formulò l’ipotesi che la carica di queste particelle coincidesse con quella definita quantità di elettricità, poi chiamata elettrone, cui Stoney aveva attribuito la capacità degli atomi di legarsi chimicamente.

Avanzò anche l’ipotesi che la conduzione dei metalli fosse dovuta a un flusso di queste particelle, la cui carica ritenne eguale in valore assoluto a quella dello ione idrogeno. Iniziò a studiare la conducibilità elettrica nei gas ai primi del 1896. Per dimostrare che i raggi luminosi e la carica elettrica sono indivisibili.
L’8 febbraio 1897 presentò una relazione su questi esperimenti.

Avendo dimostrato che le cariche elettriche sono strettamente connesse ai raggi luminosi, Thomson decise di verificare se, come i raggi X, anche quelli catodici fossero in grado di ionizzare i gas e renderli conduttori.

Essendo ormai stabilito che le particelle cariche in movimento possono essere deflesse sia da un campo magnetico che da un campo elettrico, la conclusione di Thomson fu che non si poteva più negare che i raggi catodici fossero costituiti da cariche negative trasportate da particelle materiali;

restava da stabilire se si trattasse di molecole, atomi, o materia in uno stato di suddivisione ancora più spinto. Joseph John Thomson (1856-1940) Altri ricercatori avevano determinato (e con maggiore accuratezza) il rapporto e/m, e l’idea che potessero esistere particelle cariche subatomiche si era presentata a più riprese nella storia della Fisica del XIX secolo.

Tuttavia, ciò che rese storica la data del 30 Aprile 1897 (considerata quella ufficiale di nascita dell’elettrone) furono le considerazioni di Thomson e le ipotesi da lui avanzate a commento dei suoi risultati sperimentali (e/m indipendente da catodo e/o dal gas): l’atomo deve avere una struttura complessa, costituita da parti più piccole.

A conferma della universalità di questa particella, nel 1899 Thomson trovò lo stesso rapporto carica/massa per le cariche generate per effetto fotoelettrico L’ipotesi che esistessero corpuscoli carichi, molto più piccoli dell’atomo, suscitò un certo scetticismo: occorreva determinare l’esatto valore della carica.

Ci provarono in molti, ma il risultato più accurato arrivò nel 1909 ad opera del fisico statunitense Robert Andrews Millikan (1868-1953), dopo aver introdotto nella procedura alcune
varianti decisive: usò olio al posto
dell’acqua, nebulizzandolo in
minutissime goccioline d’olio, che
caricava per irradiazione con
raggi X. L'elettrone Le conclusioni cui era giunto Thomson posero fine al dibattito tra i sostenitori della teoria eterea e quelli della teoria corpuscolare:

ormai era dimostrato che l’azione delle forze elettriche messe in gioco nei tubi di scarica è in grado di decomporre gli atomi, strappando loro una particella costituente, dotata di massa e carica indipendente del tipo di atomo originario Per ogni gocciolina prescelta, il campo elettrico era variato fino ad arrestarla; ne misurava il valore e lo azzerava, lasciando la goccia in caduta libera e determinandone la massa.

In questo modo, l’unico parametro da calcolare era proprio la carica dell’elettrone, che risultò uguale e di segno contrario a quella dello ione idrogeno, risolvendo la questione della sua massa, che risultava circa 1837 volte più piccola di quella dell’atomo di idrogeno. Lenard aveva messo in crisi il concetto di atomo come entità omogenea e impenetrabile, avanzando l’ipotesi che avesse una struttura aperta e spazi relativamente ampi al suo interno; così si poteva spiegare la facilità con la quale i raggi catodici attraversavano le finestre di alluminio dei tubi di scarica.

Quando Thomson dimostrò che i corpuscoli erano i costituenti universali degli atomi, fu necessario scendere nei dettagli ed elaborare un modello teorico che ne descrivesse la struttura. I primi modelli atomici All’inizio del ’900, furono elaborati diversi modelli di atomo per spiegare i risultati sperimentali.

Precedentemente nel 1808 Dalton aveva descritto gli atomi come sfere solide tutte uguali: solo la massa li rendeva distinguibili.

Nel 1901 il fisico francese Jean Baptiste Perrin (1870-1942) avanzò l'ipotesi che l'atomo fosse costituito, in parte da una o piu masse con carica positiva molto superiore a quella di ogni singolo corpuscolo [elettrone] e, in parte, da una moltitudine di corpuscoli [elettroni], ossia una sorta di sistema solare in miniatura che ammetteva l'esistenza di più soli.

Perrin accettava l’identità dei corpuscoli di tutti gli elementi e riteneva che, se si fosse riusciti a stabilire anche l’identità dei soli positivi degli elementi, la totalità dell’universo materiale sarebbe risultato dal raggruppamento di due soli tipi di costituenti primordiali: l’elettricità positiva e l’elettricità negativa. Nel 1902, Lord Kelvin (1824-1907) riprese e modificò un suo precedente modello a vortici (1867); in questo gli elettroni, che costituivano unità individuali, erano inseriti in una nuvola di carica positiva, uniformemente distribuita nell’intero volume dell’atomo, per ottenere una situazione di equilibrio e neutralità elettrica.

Nel 1904, il giapponese Hantaro Nagaoka (1865-1950) elaborò un modello Saturniano, nel quale un nucleo positivo è circondato da un anello costituito da migliaia di elettroni.

Questo modello subì numerose critiche, sia per la sua instabilità elettromagnetica, che per il fatto che poteva spiegare solo qualitativamente gli spettri atomici. Proprio per soddisfare le esigenze di stabilità meccanica ed elettrica, nel 1904 Thomson rielaborò il modello di lord Kelvin, che riteneva quello matematicamente più semplice, in mancanza di qualsiasi dato sperimentale che potesse far luce sul problema.

Il modello risultante consisteva in una matrice sferica di carica positiva, priva di massa, al cui interno si muovevano, su orbite circolari concentriche, decine di migliaia di corpuscoli a carica negativa, disposte a intervalli regolari.

Le emissioni di luce e radiazioni erano spiegate ammettendo che, all’interno della sfera di elettricità positiva, i corpuscoli vibrassero avanti e indietro. Il numero di corpuscoli era così spropositato, perché in essi era concentrata tutta la massa atomica.

Tuttavia, già intorno al 1906, i dati ottenuti da esperimenti sulla dispersione della luce, di raggi X o fasci di elettroni, o sull’assorbimento di elettroni, sembravano dimostrare che il loro numero fosse dello stesso ordine di grandezza del peso atomico. L’immagine didatticamente consolidata del panettone e dei canditi, è, semplicemente, falsa.

La possibilità di distribuire, in modo regolare, un gran numero di elettroni in anelli concentrici sembrava costituire un punto di partenza valido per spiegare teoricamente le periodicità espresse dalla
tabella di Mendeléev La parola definitiva sulla composizione dell’atomo sarebbe venuta, però, dallo studio delle emissioni radioattive di uranio e torio, cui si dedicò, a partire dal 1900, uno dei più brillanti allievi di Thomson, il neozelandese Ernest Rutherford (1871- 1937) che dopo due anni di indagini, in stretta collaborazione con il giovane fisico inglese Fedrick Soddy (1877- 1956), dedusse che la radiazione fosse costituita da almeno due tipi distinti, una assorbita con grande facilità, che proposero di chiamare alfa, e una con carattere più penetrante, chiamata radiazione beta.

Subito dopo, il francese Paul Ulrich Villard (1860-1934) riuscì a isolare la radiazione beta, identificandone una terza, chiamata gamma, molto più penetrante dei raggi X, di natura elettromagnetica. La natura delle radiazioni e il coccodrillo Becquerel si accorse di molte analogie tra la radiazione beta e i corpuscoli che costituivano i raggi catodici, confermando poi, dall’eguaglianza del rapporto carica/massa, che coincidevano.

Ma l’aspetto più interessante era che Rutherford e Soddy attribuivano la causa di questa attività alla instabilità degli atomi, che subivano un continuo processo di decomposizione per frantumazione, del quale l’emissione radioattiva era un passaggio fondamentale.

Nel 1909, R. comunicò che le particelle alfa erano atomi di elio, dotate di carica elettrica positiva, e avanzò l’ipotesi che uranio, torio e radio fossero in realtà costituiti da elio.

Per la prima volta era stato identificato un componente atomico di carica positiva a conferma dell’intuizione di Rutherford che la radioattività non fosse altro che la manifestazione di trasformazioni di origine subatomica. Per esaminare le teorie sulla composizione degli atomi e sulla distribuzione, al loro interno, della massa e delle differenti cariche, Rutherford decise di bombardarli con proiettili di dimensioni e velocità opportune: le particelle alfa.

La loro massa è tale che esse non potevano essere deviate dalle particelle atomiche cariche, se queste fossero state distribuite secondo il modello di Thomson.

Perciò, nel 1907, Rutherford diede a Johannes Hans Wilhelm Geiger (1882-1945) l’incarico di iniziare un programma di ricerche teso a chiarire l’origine di un fenomeno da lui notato nel 1903: quando attraversavano sottilissimi fogli metallici, le traiettorie di alcune particelle alfa subivano una deviazione. Il nucleo atomico In due articoli, pubblicati nel 1910 e 1911, evidenziarono tre aspetti particolari del comportamento delle particelle alfa dopo l’impatto con le lamine:
quasi tutte attraversavano i fogli senza deviare, come se non esistessero, fino allo schermo fluorescente;
alcune di esse erano deflesse solo leggermente;
un numero estremamente ridotto di particelle alfa (1 su 20000 per un foglio d’oro) era deviato di un angolo di 90 o più, ed era respinto indietro.

« Fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. Era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. Pensandoci, ho capito che questa diffusione all'indietro doveva essere il risultato di una sola collisione e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell'ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. Fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico. » Fu così che Rutherford concepì l’idea di un atomo con un minuscolo centro massiccio (inizialmente Rutherford non usò mai la parola nucleo, bensì concentrazione di carica o carica centrale positiva), in prima approssimazione puntiforme, nel quale era concentrata la carica positiva.

Sebbene il modello fosse di facile formulazione, Rutherford indugiò circa 15 mesi prima di proporlo alla comunità scientifica la sera del 7 marzo 1911.

La sua esitazione dipendeva dalla consapevolezza del fatto che questo modello risultava instabile, secondo i principi della fisica classica.

Rischiò, tuttavia, di mettere in gioco la propria credibilità scientifica, basandosi, piuttosto che su un modello teorico immune da difetti, su risultati sperimentali, ottenuti affrontando il problema con una tecnica innovativa. Il nucleo, la cui composizione rimaneva comunque un enigma, era certamente estremamente piccolo e duro: gli elettroni, in numero tale (quanti?) da garantire la neutralità elettrica, pressoché privi di massa, erano distribuiti nello spazio al di fuori del nucleo; spazio che costituiva la parte preponderante del volume atomico.

Accettare questa ipotesi significava suscitare nuovi quesiti:
l’ipotesi di Dalton sulla diversità degli atomi dei diversi elementi, come dovuta alla diversità dei pesi atomici, si riflette sui nuclei?
l'ipotesi è ancora valida?
quante cariche elettriche sono presenti nell’atomo di ciascun elemento?
dove risiede la massa atomica, vista l’esiguità di quella elettronica? Nel 1902, Rutherford e Soddy avevano formulato l’ipotesi che la radioattività fosse dovuta a una spontanea disintegrazione degli atomi radioattivi, con espulsione di particelle e formazione di nuovi elementi, risultato che per secoli era sfuggito agli assalti degli alchimisti.

A luglio dell’anno successivo, Ramsay e Soddy confermarono sperimentalmente la previsione teorica che il radio dovesse continuamente produrre elio;

"For Christ's sake, Soddy, don't call it transmutation! They'll have our heads off as alchemists." Gli isotopi Il 18 febbraio 1913, Soddy giunse alla conclusione che diversi elementi radioattivi erano strettamente imparentati tra di loro, avendo lo stesso comportamento chimico, e propose di chiamare elementi isotopici quelli che occupavano lo stesso posto nella tabella periodica.

Quasi contemporaneamente, Thomson e Aston osservarono che fasci di ioni neon, deflessi da un campo magnetico e raccolti su una lastra fotografica, formavano due macchie distinte anziché una.

Poiché nessuno dei due isotopi era radioattivo, se ne deduceva che la possibilità di esistenza degli isotopi era indipendente dalla radioattività.

Tutti questi risultati, non solo spiegavano perché i pesi atomici non avessero valori interi, ma davano nuovo vigore all’ipotesi di Proust, visto che i singoli isotopi avevano masse molto vicine a multipli interi di quella dell’idrogeno. Sebbene fosse il migliore disponibile, il modello di Rutherford non forniva una spiegazione convincente degli spettri a righe degli elementi gassosi e risultava instabile secondo la fisica classica.

Nel 1885, il fisico svizzero Johann J. Balmer (1825-1898) era riuscito a trovare la relazione matematica che lega tra di loro le lunghezze d’onda delle righe dello spettro dell'idrogeno (generalizzata nel 1888 da Rydberg ). Il danese burlone e la configurazione elettronica Il fisico danese Niels Henrik David Bohr (1885-1962) fu il primo che riuscì, in qualche modo, a superare queste difficoltà formulando, nel 1913, un modello atomico ad hoc:
su scala microscopica, le interazioni elettrostatiche non sono descritte dalle leggi della elettrodinamica classica ma sono invece consistenti con la visione degli scambi energetici, elaborata da Max Planck (1858-1967) nella teoria dei quanti;
esistono solo un numero definito di orbite, ciascuna identificata da un differente numero naturale n (diverso da 0);
l’elettrone si mantiene in continuo e definito stato di moto, detto stato stazionario, lungo un’orbita ellittica, senza radiare energia;
agli elettroni è consentito soltanto di saltare ad un’orbita più esterna, assorbendo energia, o cadere in un’orbita più interna emettendo energia, ma non possono fermarsi in una posizione intermedia. Era chiaro però che ogni singola orbita poteva ospitare soltanto un limitato numero di elettroni: la seconda geniale intuizione di Bohr fu l’aver messo in relazione il numero di elettroni in un’orbita con il numero di elementi in un periodo.

I criteri con i quali popolò di elettroni le orbite non rispondono a principi quantomeccanici, ma furono dettati dal suo intuito e dal suo desiderio di mantenersi in accordo con il comportamento chimico e spettroscopico degli elementi.

Così concepito, l’atomo di Bohr non rendeva comprensibile né la stabilità dei moti degli elettroni nelle loro orbite, né il carattere discreto dell’energia in queste orbite, né il passaggio istantaneo da un’orbita all’altra, ma imponeva dei postulati che introducevano nella Fisica le regolarità aritmetiche caratteristiche della Chimica degli elementi. La teoria di Bohr legò insieme il modello planetario dell’atomo con la teoria dei quanti e consentì di descrivere le proprietà degli elettroni atomici con una serie di numeri quantici che rappresentavano il punto di partenza per interpretare teoricamente l’origine della periodicità delle proprietà chimiche degli elementi.

Anche il principio di esclusione di Pauli (1925) fu formulato come conseguenza del tentativo di collegare il sistema periodico alla teoria dei quanti. Il modello di Bohr funzionava bene sull’atomo di idrogeno, ma era difficilmente utilizzabile in atomi complessi e questo perché erano state applicate all’elettrone le stesse leggi fisiche dei corpi macroscopici.

La doppia natura della luce
La fisica classica, fino alla fine dell’Ottocento, considerava la luce come onda: fenomeni come la rifrazione, la diffusione, l’interferenza, erano alla base di questa concezione.

Max Planck ipotizzò che l’energia fosse emessa o assorbita non in modo continuo ma in piccole quantita chiamate quanti.

Alcuni fenomeni, come l’effetto fotoelettrico, non sono spiegabili con la teoria ondulatoria. Einstein dimostrò che la luce aveva anche una natura corpuscolare e le particelle, chiamate fotoni, corrispondono ai quanti di Planck. Modello atomico a orbitali Il dualismo onda-particella
La teoria di Bohr considera l’elettrone come una particella di materia. Le esperienze fatte sulla luce avevano dimostrato che essa aveva un duplice comportamento, corpuscolare e ondulatorio. De Broglie nel 1925 affermò che anche l’elettrone doveva avere contemporaneamente una natura corpuscolare e ondulatoria; ciò fu confermato nel 1927 da Davisson e Germer: un fascio di elettroni poteva dare fenomeni di rifrazione, diffusione, interferenza, proprio come le onde, oltre che comportarsi come particella.

Principio di indeterminazione di Heisenberg
Nel 1927 Heisenberg affermò che non è possibile conoscere contemporaneamente con esattezza la posizione e la velocità dell’elettrone (e di qualunque altra particella), poiché ogni misurazione perturba il sistema. Tenendo in considerazione i suddetti principi, negli anni 1926- 27 è stato proposto un nuovo modello, detto quantistico-ondulatorio o a orbitali.

In esso, il nucleo atomico ha le medesime caratteristiche di quello dei modelli precedenti. Le orbite degli elettroni sono sostituite dagli orbitali e l’elettrone non e più considerato un corpuscolo ma è inteso come una carica elettrica, descritto come un’onda e rappresentato come una nube, intesa come quella regione dello spazio all’interno della quale c’e un’alta probabilità di incontrare l’elettrone.

Schroedinger nel 1926 riuscì a descrivere le zone con alta probabilità di trovare gli elettroni (intesi come onde), cioé la “nube elettronica”, attraverso la risoluzione di una equazione, definita da quattro numeri quantici. Equazione di Schroedinger per una particella soggetta al potenziale V Anche nel modello di Bohr le orbite erano definite da numeri quantici, ma essi si riferivano al movimento dell’elettrone e definivano il raggio, la forma e l’orientamento delle orbite;

in questo caso, invece, si tratta di parametri che, inseriti in una particolare funzione matematica, permettono di calcolare la probabilità di trovare l’elettrone in una certa zona. Rutherford continuò anche durante la I Guerra mondiale la sua personale battaglia contro l’enigma costituito dal nucleo atomico, nonostante i suoi assistenti, si fossero dispersi, impegnati in attività belliche o di supporto.

Nel 1919, studiando gli effetti delle radiazioni alfa su elementi leggeri in fase gassosa, notò che, a seguito delle collisioni con l’azoto, esse venivano assorbite, mentre erano riemessi nuclei di idrogeno.

Ne trasse la conclusione che, nel nucleo di tutti gli atomi, fossero presenti ioni idrogeno con carica unitaria, la più semplice struttura possibile per un nucleo, che costituivano la controparte positiva dell’elettrone, con la sola eclatante differenza nella massa.

Nel 1920 propose di chiamare protone questa particella fondamentale, termine proposto nel 1908 per indicare i mattoni con i quali erano costruiti tutti gli elementi. Le reazioni nucleari Rutherford avanzò anche l’ipotesi che l’elettrone potesse combinarsi con il nucleo di idrogeno, formando un doppietto nucleare, con carica neutra e proprietà molto diverse da quelle dell’atomo o del nucleo di idrogeno, per il quale William Draper Harkins propose il nome di neutrone.

Rutherford avanzò anche l’ipotesi che esistesse un isotopo dell’idrogeno con massa due.

Harold Clayton Urey (1893-1981) identificò il deuterio nel 1931, mentre l’esistenza del neutrone fu confermata nel 1932 da James Chadwick (1891-1974). Dopo la scoperta del neutrone, Enrico Fermi (1901-1954) formulò l’ipotesi che esso sarebbe stato il proiettile ideale per nuove trasformazioni, perché privo delle cariche positive che impedivano a protoni e particelle alfa di avvicinarsi al nucleo senza essere respinti.

In questo modo, si sarebbe potuto realizzare una "fusione" nucleare, ottenendo un nucleo più pesante di quello di partenza.

Ida Eva Tacke Noddack (1896-1978), non condivise la conclusione di Fermi, ritenendo che non si sarebbero ottenuti nuovi elementi più pesanti di quello irradiato, ma piuttosto la sua disintegrazione in grossi frammenti, costituiti da isotopi di elementi già noti. Fissione nucleare Nel gennaio del ’39, poche settimane dopo che Fermi ebbe descritto i dettagli della sintesi dei nuovi elementi, nel suo discorso in occasione del conferimento del premio Nobel, Hahn e Strassmann pubblicarono i risultati di un’indagine sulla natura chimica dei prodotti ottenuti dal bombardamento neutronico dell’Uranio: Lise Meitner, che nel frattempo era stata costretta a rifugiarsi in Svezia, si rese conto che esso era in realtà un prodotto della fissione dell’Uranio.

Paradossalmente, mentre la scoperta della fissione fu un sottoprodotto della ricerca degli elementi transuranici, questi, a loro volta, furono invece ottenuti dai fisici a seguito delle indagini svolte per chiarire i meccanismi della fissione. Oggi sappiamo che le intuizioni di Democrito erano giuste e anticipavano concetti che si sono affermati solo tra il 1800 e il 1900.

Certo, il concetto di particella fondamentale è mutato, ma l'idea che esistano dei "mattoni" fondamentali della materia è diventato uno dei cardini della scienza contemporanea.

Tuttavia, nell'antichità la riflessione sull'estremamente piccolo non ebbe grandi consensi e, quindi, sviluppi.

Dante, nella Divina Commedia, non esita a bollare
Democrito come "colui che 'l mondo a caso pone",
mettendolo nel Limbo, assieme ad altri filosofi
precristiani. (Inferno,Canto IV, v. 143) The neutron has come to be.
Loaded with mass is he.
Of charge, forever free.
Pauli, do you agree? dai quattro elementi
agli orbitali I principi ultimi non sono le quattro sostanze primordiali di Empedocle o Platone, ma quattro qualità primordiali, cui possono ridursi tutte le altre qualità osservabili. Esse sono divise in due coppie di opposti (aria/terra, acqua/fuoco).

Solo i cieli erano fatti di un quinto elemento, differente e superiore ai quattro presenti sulla terra, l’etere vago e immateriale. Malgrado la predominanza quasi assoluta dell’aristotelismo in campo filosofico, le teorie corpuscolari non erano del tutto scomparse, anche perché sembravano più adatte a spiegare le evidenze sperimentali accumulate dagli alchimisti.
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