L`atomo fuggente - Dipartimento di Fisica

L’atomo fuggente [a cura di Stefano Oss]
Caro Professor Peruso:
credo di aver capito, leggendo i suoi articoli, che gli atomi sono oggetti “fondamentali” per capire come
funzionano le cose in questo mondo. Ma come funzionano gli atomi? Cosa sono? Grazie per la riposta.
Massimiliano Costabassa.
E’ vero. Durante questa pausa estiva mi sono trovato a ripensare a molte domande che ho ricevuto ed
alle risposte che ho dato. In varie occasioni, ho dovuto parlare di atomi e di molecole, ossia di quei
“pezzettini” di materia di dimensioni davvero piccole – terribilmente piccole – che sono un po’ come dei
mattoncini del gioco del Lego con i quali si può costruire quello che ci pare e piace. Ma non credo di essermi
mai sbilanciato nel fornire delle spiegazioni un po’ dettagliate sulla natura di questi oggetti tanto importanti
per capire com’è fatto il mondo. Forse è il momento di farlo ma, vi avverto, vi racconterò delle cose piuttosto
strane.
Prima però di preoccuparci, ecco quello che con certezza invece sappiamo. Gli atomi, i nostri
“mattoncini”, sono tanto piccoli che mettendone con l’immaginazione in fila uno accanto ad un altro, ce ne
vorrebbero una decina di milioni per riempire un millimetro! Hanno anche una massa ovvero, in pratica, un
peso: piccolo, ma abbastanza per riuscire a misurarlo. A seconda del tipo di atomo (la natura ne mette a
disposizione 92 tipi che, forse qualcuno di voi ricorderà, sono elencati e messi in bella mostra nella “tabella
periodica degli elementi”, quella di solito appesa nelle aule di scienze. Si inizia del più leggero, l’idrogeno,
per arrivare al più massiccio, l’uranio), le lancette di una sensibilissima bilancia indicherebbero pesi variabili
attorno a decine o centinaia di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di grammo. Avete letto bene.
Ad esempio, per fare un grammo di ferro ci vogliono circa diecimila miliardi di miliardi di atomi di ferro! I
numeri che state osservando sono davvero piccolissimi ma tutto torna: per fare qualche grammo di sostanza
con atomi così incredibilmente leggeri ci vuole un numero incredibilmente grande di atomi, giusto? Si
osserva che gli atomi contengono della carica elettrica positiva e negativa in misura esattamente eguale: si
dice che gli atomi sono elettricamente neutri (altrimenti vengono chiamati “ioni”). Se dunque c’è parità fra
cariche di segno opposto, vuol dire che dentro gli atomi ci sono “pezzettini” di natura differente che li
costituiscono. Alla faccia del significato della parola “atomo”, che in greco significa “indivisibile”:
Democrito e seguaci si erano convinti che la natura era “spezzettabile” soltanto fino ad un certo punto. Al
punto di ottenere atomi, infatti. Ma i filosofi greci si sbagliavano: l’atomo è un punto di partenza per la
scoperta di un mondo ancora più minuscolo ed intricato, ma fondamentale, che in esso è contenuto. Per
capire come funziona un atomo è necessario capire come è fatto “dentro”. Alla fine dell’ottocento gli
scienziati osservano che gli atomi possono emettere ed assorbire luce di varie “frequenze” o “lunghezze
d’onda” in un intricato ma regolarissimo bilancio. In particolare, si scopre che in determinate condizioni gli
atomi emettono o assorbono solo certi “colori” della luce. E si osserva anche che ad ogni tipo di atomo
(idrogeno, cloro, ferro, magnesio, ecc.) corrisponde una ed una sola serie di colori emessi (o assorbiti).
Questo vale per un atomo di ferro contenuto nella chiave del cancello, o per quello prigioniero della miniera,
o per quello che sta viaggiando su un asteroide a milioni di chilometri dalla terra. Tutti gli atomi di ferro
dell’universo sono eguali, esattamente eguali tra di loro. Gli anni a cavallo dei secoli XIX e XX sono
caratterizzati da un fervore probabilmente mai più raggiunto nei laboratori di ricerca sia di tipo sperimentale
che teorico. Ci si accorge infatti che la comprensione dei fenomeni sopra citati (e di molti altri, altrettanto
importanti e vistosi) richiede una revisione incredibile, per certi versi inaccettabile di quanto si conosceva e
si era capito dell’universo fisico. Togliere il coperchio agli atomi per guardarci dentro richiede un prezzo
altissimo da pagare in termini di buon senso e di logica “umana”. Un esempio? Presto detto: se voglio sapere
dove si trova e dove sta andando una cosa di questo mondo ultra-microscopico, non ci riesco! Per essere più
espliciti: immaginate un biliardo nel quale le biglie si comportano come le “cose atomiche” di cui stiamo
parlando. Se si vuole stabilire con certezza la posizione di una di queste biglie, ecco che non si riesce più a
stabilire (non almeno con la stessa certezza) la velocità della stessa biglia. Oppure, dire che la biglia è ferma
da qualche parte (dunque sapere perfettamente la sua velocità – nulla – e la sua posizione allo stesso istante)
è impossibile in questo biliardo beffardo. La biglia “si sfuoca” in un’immagine confusa, “indeterminata”
(questo è il termine prediletto dai fisici, che si riferiscono tecnicamente al cosiddetto “principio di
indeterminazione di Heisenberg” del 1925) che impedisce di osservare i dettagli dell’atomo con la nitidezza
propria del mondo quotidiano. Questa nuova lettura del mondo si rende necessaria quando le dimensioni in
gioco sono terribilmente piccole, come quelle degli atomi e dei “pezzetti” che li costituiscono. La situazione
è molto complessa, perché succede che le “cose” diventano anche onde … gli atomi ed i loro costituenti sono
una miscela strampalata di materia e di onde (non che la materia si metta ad andare su e giù come un’onda
del mare: si tratta piuttosto di qualcosa che assomiglia alla vicenda di Mr.Hyde e del dott.Jeckyll: una doppia
personalità). Bisogna di conseguenza cambiare molti punti di vista. All’inizio del secolo scorso si pensava
che nell’atomo ci fossero particelle di carica negativa (gli elettroni) ruotanti attorno al centro dell’atomo
stesso (il nucleo, che ha una carica positiva), un po’ come succede con i pianeti del sistema solare in orbita
attorno al sole. Non è così. A partire dal 1926, si capisce che nell’atomo la carica negativa portata dagli
elettroni è invece distribuita attorno al nucleo in
forma di “nuvole” che ci dicono quale sia la
nostra “speranza” o probabilità di trovare gli
elettroni stessi. Le nuvole sono chiamate
“orbitali” elettronici. Pensandoci un po’, dire
“dov’è un’onda” non ha molto senso, visto che
un’onda è comunque sparpagliata qua e là. Anche
gli elettroni lo sono. Sparpagliati! Applicando
questa strana idea (che viene dal lavoro di molti
scienziati: De Broglie, Bohr, Shroedinger,
Heisenberg, Einstein, Planck ed altri) è
comunque possibile giustificare tutte (proprio
tutte) le proprietà degli atomi e della materia da
essi costituita. La luce gioca con gli atomi e con
le sue “onde elettroniche” in modo da produrre i
fenomeni che prima accennavo, ossia le
emissioni/assorbimenti con colori precisi. A
questo punto, e senza metterci a scrivere formule
strane e complicate, saremo già d’accordo che
abbiamo a che fare con un mondo molto diverso
da quello al quale siamo abituati (dove le biglie
ferme sul tavolo del biliardo non si sfuocano e si comportano come onde). Il fatto è che il biliardo e tutto ciò
che esiste (noi inclusi) è fatto di atomi. Se siamo poco attenti ai dettagli di questi oggetti possiamo continuare
a far finta che le biglie restino ferme. Ma non c’è scampo: la scienza fisica degli atomi e delle molecole ha
bisogno di un punto di vista “folle”. Che non riusciamo a comprendere fino in fondo. Che forse, come
Einstein suggeriva, non è nemmeno giusto del tutto. Ma che per ora è ciò che abbiamo a disposizione e che
ci ha aiutato a produrre tecnologie meravigliose al servizio (quasi sempre) dell’umanità. Ah, dimenticavo:
questa fisica “confusa” (si fa per dire) si chiama “fisica dei quanti” o “ondulatoria”.
[a cura di Stefano Oss]