Il concetto di atomo tra fisica e chimica.

C.M. Wynn, A. W. Wiggins, Le cinque più grandi idee della scienza
D. Lindley, Gli atomi di Boltzmann
E. R. Scerri, The Periodic Table
E. Schroedinger, L'immagine del mondo
H. Reichenbach, Esistono gli atomi? (in La nascita della filosofia scientifica)
Storia del
concetto di
atomo
“its repose is only an illusion
due to the imperfection of our
senses, and what we call
equilibrium is a certain welldefined permanent system of
a perfectly irregular
agitation.”
(J. Perrin, Nobel lecture)
Seurat, the Seine at le Grand Jatte (1888)
la trama
(come in un film d'azione)
:
.....partiamo dal momento di svolta (l'atomo conquista la scena) e del dramma umano
(Boltzmann)
.... poi il tema: di cosa parliamo e perché
.... facciamo un flashback: come è cominciato tutto (la filosofia greca)
.... la storia si sviluppa su due rami (quello chimico e quello fisico)
Albert Einstein, 1905
Predizione della distanza media percorsa nel moto browniano,
utilizzando la distrib. di Maxwell-Boltzmann
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il più citato degli articoli dell'annus mirabilis
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congettura altamente rischiosa - Popper
Ludwig Boltzmann, †
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Dalla termodinamica alla meccanica statistica
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Spiegare il macro sulla base del micro (atomi)
Jean Perrin, 1908
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Misura la distanza percorsa nel moto browniano
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Corrobora la congettura einsteiniana
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premio Nobel 1926
Duino, 1906
Einstein
Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden
Flüssigkeiten suspendierten Teilchen (Annalen der Physik, 17, 1905)
“In this paper it will be shown that according to the molecular-kinetic theory of heat, bodies of microscopically-visible size
suspended in a liquid will perform movements of such magnitude that they can be easily observed in a microscope, on
account of the molecular motions of heat”
“We must assume that the suspended particles perform an irregular movement - even if a very slow one - in the liquid, on
account of the molecular movement of the liquid”
Annalen der Physik, 19, 1906:
“Soon after the appearance of my paper [Ann. Phys. 17] on the movements of particles suspended in liquids demanded by the
molecular theory of heat, Siedentopf (of Jena) informed me that he and other physicists- in the first instance, Prof. Gouy
(of Lyons) - had been convinced by direct observation that the so-called Brownian motion is caused by the irregular
thermal movements of the molecules of the liquid. Not only the qualitative properties of the Brownian motion, but also
the order of magnitude of the paths described by the particles correspond completely with the results of the theory.”
Perrin
N.B.
•
"Mouvement brownien et
•
dalla Nobel lecture: DUE ISTANZE
réalité
moléculaire”, Ann. Chim. Phys., 18, 5–114 (1909)
CONTINUITA'
“A fluid such as air or water seems to us at first glance to be perfectly homogeneous and
continuous; we can put more water or less water into this glass, and the experiment seems to
suggest to us that the amount of water contained in it can vary by an infinitely small amount,
which is the same as saying that water is "indefinitely divisible” […]
INVISIBILITA'
E. Mach
“Lastly, and doubtless always, but particularly at the end of the last century, certain scholars
considered that since the appearances on our scale were finally the only important ones for us,
there was no point in seeking what might exist in an inaccessible domain. I find it very difficult
to understand this point of view since what is inaccessible today may become accessible
tomorrow (as has happened by the invention of the microscope), and also because coherent
assumptions on what is still invisible may increase our understanding of the visible”
Ludwig Boltzmann
meccanica + hp atomica → termodinamica
formulazione statistica dell'entropia
•
Scontri con gli “energeticisti” (Mach, Ostwald)
•
Battaglia snervante, maniacale, personale
Lo humor nero di D. Goodstein (“States of matter”, 1975):
“Ludwig Boltzmann, who spent much of his life studying statistical mechanics, died in 1906, by his own hand.
Paul Ehrenfest, carrying on the work, died similarly in 1933. Now is your turn to study statistical
mechanics. Perhaps it will be wise to approach the subject cautiously”
...storia del modello atomico
"Se in un qualche cataclisma l'intera conoscenza scientifica dovesse andare distrutta ed
un'unica frase venisse tramandata alle successive generazioni di esseri viventi, quale
affermazione conterrebbe l'informazione più importante nel minor numero di parole? Io
credo che sia l'ipotesi atomica (o fatto atomico, o comunque la vogliate chiamare) che
tutte le cose sono formate di atomi – piccole particelle che girano in perpetuo moto
attraendosi l'un l'altra quando si trovano a breve distanza, ma che si respingono quando
vengono pressate l'una contro l'altra. In quest'unica affermazione, come vedrete, è
contenuta una enorme quantità di informazione sul mondo, se la si considera con un
minimo di immaginazione e la si medita appena un po' "
(R. Feynman - The Feynman Lectures)
Leucippo, Democrito (440a.C.)
- interesse primario: come funziona il mondo
- non è solo idea filosofica, ma matematica:
risoluzione pbm. dell'infinito (Zenone, 495 a.C.)
- problema “etico” della teoria di Democrito:
anche l'anima è fatta di atomi
(perché l'anima è un soffio, è aria, e l'aria
è fatta di atomi) → questo la fa dimenticare dai posteri,
per i quali sembrava una pessima idea quella di rinunciare
a etica, morale ecc..
Epicuro (340 a.C.), Lucrezio (98 a.C.)
Epicuro: interessi
fisici per fini etici
(es. Spinoza)
"Appese sul lido che infrange le onde, le vesti s'inumidiscono: le metti al sole, e
s'asciugano: ma né in qual modo sia penetrato l'umore dell'acqua si è potuto
vedere, né, poi, come sia fuggito, al calore: il liquido, dunque, si sparge in piccole
parti che in alcun modo riescono gli occhi a vedere." (De Rerum Natura)
Aristotele (350 a.C.) - paradigma vincente per 2000 anni
contro l'ipotesi atomica:
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come fanno gli atomi a muoversi incessantemente?
(idea del moto solo se causato e tendente al luogo naturale)
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impossibilità del vuoto (il non-essere non è; R → 0 implica v → ∞)!
continuità della materia
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Continuità ↔ teleologia vs. atomismo ↔ ateismo
Pierre Gassendi, 1600 ca.
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E' lui che recupera definitivamente l'ipotesi atomica
“Gli scienziati faranno il nome di Dalton (nato nel 1766) e ometteranno
quello di Gassendi (nato nel 1592). Eppure fu quest'ultimo che
reintrodusse definitivamente nella scienza moderna l'atomismo”
(Schroedinger)
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Vuoto e particelle: princìpi primi
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Particelle microscopiche in moto perenne e casuale
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spazio e tempo assoluti, anticipa Newton
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Micro per spiegare il macro
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Trae ispirazione dalle prime scoperte col microscopio
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Mantiene l'atomismo cercando di rimuoverne l'ateismo
Isaac Newton, 1672
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"Mi sembra probabile che Dio al principio del mondo abbia formato
la materia di particelle solide, dure, impermeabili e mobili, dotate di
date dimensioni e figure, di date proprietà e di date proporzioni
rispetto allo spazio, affinché meglio tendessero al fine per il quale egli
le aveva formate"

in particolare: luce composta da particelle
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E, come abbiamo visto, per analogia luce-calore, anche il calore...
Origine dell'idea scientifica di atomo
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Qual è la struttura della materia?
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Qual è la base delle reazioni chimiche?
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Che cos'è il calore?
"Come in una fuga, i diversi temi si presentano separatamente, si
avvicinano uno all'altro lungo lo sviluppo, si sovrappongono,
crescono a distanza, e alla fine si fondono di nuovo" (Holton)
→ vediamo l'ATOMO IN
CHIMICA
→ poi in FISICA
l'atomo dei primi chimici
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"Che fossero oggetti minuscoli e rigidi in movimento nello spazio vuoto
oppure oggetti gonfi e deformabili, stipati gli uni a ridosso degli altri come
arance in una cassetta, non aveva molta importanza. E non era affatto
chiaro se gli atomi di idrogeno e di ossigeno fossero entità genuinamente
indivisibili, o se la formula due-più-uno per combinarli generando acqua
fosse semplicemente un metodo pratico di conteggio". (D. Lindley)
Robert Boyle, 1660: due modelli; a fiocchi di lana (atomi compressibili,
come molle; ma non si spiega l'espansione di un gas), o punti nell'etere
(agitazione continua).
CALORE: Boyle-Newton: fornire calorico aumenta l'atmosfera attorno a
ciascun atomo, aumentandone quindi la forza repulsiva verso gli altri atomi.
Bernoulli: il calore aumenta la vis viva degli atomi.
La tavola periodica
"Se un giorno comunicassimo con un altra parte dell'Universo,
possiamo essere certi che entrambe le civiltà avranno in comune un
sistema ordinato di elementi che sarà immediatamente riconosciuto da
entrambe le forme di vita intelligente"
(J. Emsley)
Come ci si
arriva?
A. Lavoisier
(1783)
N.B.:
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libera la chimica dall'idea del
"flogisto"
(combustione → liberazione di flogisto)
→ conservazione della massa in
una reazione chimica
“in una reazione chimica in un sistema
chiuso, la massa dei reagenti è
esattamente uguale alla massa dei
prodotti ”
John Dalton
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(1803)
La materia consiste di atomi indivisibili
Gli atomi sono immutabili (NB: no a alchimia,
trasmutazioni...)
I composti sono formati da molecole
Tutti gli atomi o le molecole di una sostanza sono
identici
Nelle reazioni chimiche gli atomi sono solo
riarrangiati, non distrutti o creati.
Legge delle proporzioni costanti/multiple
ma... teoria statica dei gas e calorico (dà credito a
Newton): particelle ferme, circondate da atmosfera di
calorico
ciònonostante, D. avvia un “programma di ricerca”
John Dalton
– alcuni documenti originali
Composto di due
atomi con
regione comune
di calorico
“regione di
calorico”
Opposizione
ragionata
di Sir H. Davy
“Davy's position did not derive from the obstinacy
of conservatorism but rather from the inspiration
of a visionary”
(D.L. Goodstein, States of Matter)
40 sostanze note all'epoca (→ 40 atomi, principi ultimi, secondo Dalton)
di cui
26 sono metalli (alta conducibilità elettrica/termica; lucentezza; durezza, duttilità...)
→ Davy: non può essere che le stesse proprietà appaiano 26 volte! Ci deve essere un “principio
di metallizzazione” sottostante → l'atomo non è la particella ultima...
IN EFFETTI si scoprirà poi che le caratteristiche metalliche dipendono dall'elettrone
→ in ultima analisi è l'elettrone la particella ultima della chimica
De Chancourtois, 1862:
scoperta della periodicità
- "Le proprietées des corps sont les proprietées
des nombres" (sempre: massa atomica), è da
considerarsi lo scopritore della periodicità
(ma non riesce ad attirare l'attenzione)
- elementi sistemati secondo una spirale su
cilindro verticale: ogni 16 numeri (rotazione 2π)
c'è allineamento verticale con elemento analogo
(es. Li, 7 – Na, 23): “vite tellurica” (D.C. è
geologo)
- rappresentazione scomoda e con tanti errori
Newlands, 1863: le ottave
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(ancora: ordinamento per peso atomico)
la periodicità è legge: “it will also be seen that the numbers of analogous elements differ either by 7 or
by some multiple of seven[...] The eighth element starting from a given one is a kind of repetition of the
first … “the Law of Octaves”
inquinata da "metafisica", N. cerca analogia con la scala musicale
G. Hinrichs, 1867

è il primo a formulare il
legame spettri ottici
(Kirchhoff, Bunsen) – atomo
(NB: lo stesso Bunsen non crede in
tale collegamento; H. lo fa ma in
modo selettivo e confuso)
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
cerca regole "pitagoriche"
sistema periodico "a spirale"
(gruppi lungo i raggi), usa
pesa atomico
H. è eccentrico, eclettico
(meteorologia, lingue,
astronomia)
J.L. Meyer,
Meyer 1864: tavola periodica

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
prima di Mendeleev e più
corretta
in ordine di peso atomico
relazioni orizzontali e
verticali
precedenza alle proprietà
chimiche se in conflitto
con il peso atomico
gaps (es: predice
l'esistenza del Ge)
1868 (1 anno prima di
Mendeleev): nuova tavola,
con ulteriori 20 elementi;
pubblicata postuma solo
25 anni dopo dai colleghi
proprietà fsiche
Volume atomico
L. Meyer:
Peso
atomic
o
D. I. Mendeleev, 1869

rispetto a Meyer:
+ completa;
fa predizioni;
+ lobbying (“propagating,
defending, devoting time”)



"library"
“the one that created the
biggest impact on the
scientific community”
Intenzione iniziale: aiutare
gli studenti a memorizzare
Van de Broek, 1913
nel frattempo...
classifica
utilizzando
l'ordinale –
intuizione del
numero
atomico
H. Moseley, 1914: il nr. atomico

spettro a raggi x, dominato da Z:
ν = K√Z
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
diventa formula per predizione degli
elementi con Z mancante dalla tavola
volontario al fronte, Rutherford non
riesce a trattenerlo