Ma voi parlate di un visibile sistema planetario in cui degli elettroni girano
attorno ad un nucleo e mi spiegate questo mondo con un’immagine. Ho
appena il tempo di sdegnarmene che gia’ avete cambiato teoria. (Camus, Il
mito di Sisifo)
Breve storia della Teoria atomica
Immagina di avere un grosso mucchio di sassolini e di non aver niente meglio da fare
che dividerli in due mucchi più piccoli. Sorprendentemente in fretta ti ritrovi con un
sassolino in mano. Decidi di dividerlo in due e poi di continuare a dividere le metà che
ottieni. Immaginando di poter dividere anche i granelli più piccoli, il gioco avrà mai
fine?
Alcuni filosofi dell’antichità’ si erano posti questa domanda. Per esempio, Democrito
(460-370 a.C.) riteneva che prima o poi si sarebbe giunti a un frammento di materia
così piccolo da non poter essere suddiviso ulteriormente che chiamò atomos.
Democrito ipotizzava che la materia fosse fatta da un’insieme di atomi e che tra
questi ci fosse spazio contenente nulla.
All’opposto, Platone (427-347 a.C.) e Aristotele (384-322 a.C.) pensavano che fosse
più ragionevole supporre che tutto potesse essere frammentato all’infinito. La loro
filosofia ebbe un’enorme influenza sul pensiero occidentale. Pertanto, le loro idee
anti-atomiste dominarono anche la scienza per secoli.
Tuttavia, gli atomisti continuarono a diffondere le loro idee, prima attraverso Epicuro
(341-270 a.C.), poi con Lucrezio (95-55 a.C.). Lucrezio, come appare evidente nel
seguente brano, intuì la possibilità di spiegare la materia e la natura esclusivamente
attraverso fenomeni naturali e descrisse un’immagine del mondo atomico
sorprendentemente simile alla nostra.
Gli atomi certo non si disposero in ordine ne’ per volere ne’ per fisso disegno
ne’ s’accordaron fra loro sui moti, che avrebbe ciascuno impresso al suo
corso. Ma in mille maniere da tempo infinito, muovendosi, glia atomi, urtati
da colpi e spinti e portati dallo stesso lor peso, in mille maniere si unirono
tentando aggruppati forme di vita: accadde così che agitati nel tempo,
provocando ogni specie d’incontro e di moto, pervennero infine a quel nesso
improvviso, a questa che fu la materia dei mondi, cioè della terra e del mare e
del cielo e del genere umano e animale. (Lucrezio, De Rerum Natura, V 419434)
Lucrezio ebbe un grande successo, ma nei secoli successivi con la diffusione del
Cristianesimo fu bollato come pensatore ateo. Le sue opere furono distrutte o
andarono perdute. Una sola sopravvisse e fu scoperta da Poggio Bracciolini nel 1417.
Mezzo secolo più tardi venne inventata la stampa e l’opera di Lucrezio fu uno dei
primi testi a essere pubblicati. Successivamente, fu il filosofo francese Gassendi
(1592-1655) a diffondere nel mondo occidentale la teoria atomista.
Con l’affermarsi del metodo galileiano, l’atomismo, che nei 2000 anni che vanno da
Democrito a Gassendi era stato argomento di interminabili discussioni tra dotti,
diventò oggetto di verifiche sperimentali. Nel 1662, Boyle, uno scienziato inglese,
realizzò un esperimento che in qualche modo suggeriva la realtà della materia
atomica. Egli si servì di un tubo di vetro a forma di J, col braccio corto chiuso e quello
lungo aperto. Boyle versò nell’apertura una certa quantità di Hg e osservò che
raddoppiando l’altezza di Hg il volume dell’aria imprigionata nel lato corto si
dimezzava (Legge di Boyle o legge isoterma).
La scoperta di Boyle non e’ una prova dell’esistenza degli atomi, tuttavia il
comportamento dell’aria sotto pressione si spiega facilmente se si accetta l’esistenza
degli atomi così come li aveva immaginati Democrito e cioè circondati dal vuoto.
L’aumento della pressione riduce lo spazio occupato dal vuoto.
Così, dopo Boyle accettare l’idea di Democrito, cioè l’idea che la materia non e’
continua, ma e’ formata da particelle microscopiche, diventò più facile.
Nell’arco del successivo secolo e mezzo, si sviluppò la chimica sperimentale che
indagava la materia col metodo galileiano con lo scopo anche di scoprire non solo gli
elementi che costituivano le varie sostanze, ma anche le loro quantità. In particolare,
tre furono i più importanti momenti della storia della chimica che diedero le basi
sperimentali all’ ipotesi atomista.
Il primo, nel 1789, e’ rappresentato dalla scoperta di Lavoisier (1743-1794), che da
buon galileiano affermava:
Mi son dato come legge di procedere sempre dal noto all’ignoto, e di non fare
alcuna deduzione che non sgorghi direttamente dagli esperimenti e
dall’osservazione.
La sua scoperta e’ quella che oggi noi chiamiamo la legge della conservazione della
massa. In altre parole, riuscì a dimostrare che le masse delle sostanze che reagiscono
in una qualsiasi reazione sono uguali a quelle dei prodotti che si formano nella stessa
reazione.
Il secondo e’ rappresentato dalla scoperta di Proust (1754-1826). Proust, nel 1799,
prese un campione di carbonato di rame e lo scompose nei suoi 3 elementi: Cu, C e O.
Scoprì che tutti i suoi campioni erano sempre costituiti da 5 parti in massa di Cu, 4
parti in massa di O e 1 di C (in realtà Proust verificò sperimentalmente il rapporto
63,5g di Cu : 48g di O : 12g di C). Quando cercò di preparare carbonato di calcio dagli
elementi, scoprì che l’eccesso di uno non entrava in reazione. Provò con altre
sostanze, giungendo alle stesse conclusioni. In suo onore oggi noi ricordiamo la sua
scoperta col nome ‘legge di Proust’ o ‘legge delle proporzioni definite’: gli elementi
che formano un dato composto sono sempre presenti secondo rapporti in massa
costanti e definiti.
La legge delle proporzioni definite offriva un valido appoggio all’atomismo. Infatti,
supponendo l’esistenza degli atomi e supponendo che nella sostanza chiamata
carbonato di rame per ogni atomo di Cu ce ne sia uno di C e tre di O, e ammettendo
che tre atomi di O insieme abbiano la massa 4 volte di quella di un solo atomo di C e
ammettendo che l’atomo di Cu abbia la massa 5 volte superiore a quella dello stesso
atomo di C, si poteva giustificare la scoperta di Proust. Al contrario, accettando
l’ipotesi opposta della materia continua e non organizzata in particelle, diventava
difficile spiegare perché mai non fosse possibile includere una quantità
corrispondente a mezzo atomo di Cu o 2/3 di C e via dicendo.
Il terzo momento cruciale dell’atomismo e’ rappresentato da ciò che noi oggi
chiamiamo legge delle proporzioni multiple. Verificando sperimentalmente la
scoperta del suo collega francese, il britannico Dalton, nel 1803, scoprì che il C
reagiva con l’O con un rapporto di 3:4 per dare un composto tossico, il monossido di
carbonio, ma reagiva con un rapporto di 3:8 per darne un’altro, l’anidride carbonica.
In altre parole, 1g di C reagendo con 1,33g di O produce 2,33g di monossido di
carbonio. La stessa quantità di C, pero’, puo’ reagire con 2,66g di O, originando una
sostanza diversa.
Possiamo immaginare che Dalton fu colpito dal fatto che il rapporto 1,33/2,66 e’
riducibile a una frazione formata da numeri piccoli e interi 1/2. Provò con altre
sostanze ottenendo sempre la stessa cosa, cioè che: quando un elemento (per
esempio O) si combina con una stessa quantità di un altro (per esempio C), le diverse
masse del primo stanno fra loro in rapporti fatti di numeri interi (nel senso che sia il
numeratore che il denominatore sono numeri interi).
La scoperta di Dalton e’ un contributo alla teoria atomista davvero notevole. Infatti,
soltanto ammettendo l’esistenza degli atomi possiamo facilmente giustificare la legge
delle proporzioni multiple.
Lo schema dovrebbe chiarire che i rapporti tra le diverse quantità di ossigeno reagenti
con la stessa quantità di carbonio saranno necessariamente formati da numeri interi
perché riflettono il rapporto tra un numero di atomi. In altre parole: una massa di
ossigeno sarà sempre e comunque un multiplo intero (se esistono gli atomi) della
massa di un singolo atomo, quindi il rapporto tra due masse diverse di ossigeno che
reagiscono con la stessa massa di carbonio saranno necessariamente in un rapporto
esprimibile con numeri interi. In questo caso, il rapporto ha al numeratore la massa di
un atomo moltiplicato il numero di atomi in 1,33g e al denominatore la massa dello
stesso atomo (che quindi si può semplificare) moltiplicato il numero di atomi in 2,66g.
Non e’ seriamente sostenibile l’ipotesi secondo la quale questi rapporti risultano
sempre con numeri interi a numeratore e a denominatore per puro caso. Il rapporto e’
costituito da numeri piccoli perche’ gli atomi sono organizzati in molecole costituite
appunto generalmente da un piccolo numero di un tipo di atomo legato ad un piccolo
numero di atomi di diversa specie.
Nel 1808, Dalton raccolse le prove dell’atomismo nella sua opera Nuovo sistema di
filosofia chimica dove asserì che l’atomo e’ indivisibile e inalterabile. Tuttavia una
lunga serie di osservazioni e scoperte dimostrarono che questa ipotesi non
corrispondeva alla realtà dei fatti.
Una di queste scoperte fu quella relativa alla proprietà elettrica della materia, quella
che per esempio si può dimostrare strofinando sulla maglia una bacchetta con cui poi
attirare qualche pezzetto di carta. Le proprietà elettriche si possono spiegare
immaginando che all’interno dell’atomo siano presenti particelle dotate di carica
elettrica opposta e che queste si possano trasferire da un atomo all’altro.
In altre parole, la scoperta delle proprietà elettriche misero in dubbio l’inalterabilità’
dell’atomo e portarono alla scoperta delle particelle subatomiche (i.e. protoni,
elettroni, neutroni) già a cavallo tra ‘800 e ‘900.
Nel 1904, Thomson propose il modello atomico plum pudding (a panettone) che
descriveva l’atomo come una sfera dotata di carica positiva diffusa al cui interno,
come l’uvetta in un panettone, erano distribuite le cariche negative rappresentate
dagli elettroni.
Nel 1911, Rutherford propose il modello atomico planetario che immaginava l’atomo
costituito in gran parte dal vuoto, con al centro il nucleo e gli elettroni intorno.
Questo modello, nonostante sia ancora di moda tra gli insegnanti della scuola primaria
e secondaria, venne presto superato (nel 1913) dal modello atomico a strati di Bohr.
Bohr fu influenzato dalla teoria quantistica del fisico tedesco Planck che introdusse il
concetto di energia quantizzata. Secondo questo modello l’energia non e’ continua
ma e’ costituita da pacchetti, da granuli di energia detti quanti (i quanti dell’energia
elettromagnetica della luce sono i fotoni). Secondo la teoria di Planck la materia può
emettere o assorbire solo quantità discrete di energia multiple dell’energia dei quanti
(o fotoni).
Bohr, nel 1913 integrò il modello atomico con la teoria di Planck, proponendo un
modello a strati dell’atomo, dove l’energia degli elettroni all’interno dell’atomo
poteva assumere soltanto determinati valori.
Nel XX secolo maturò una nuova visione dell’atomo basato sulla meccanica quantistica
che prese il nome di modello quanto - meccanico.
Un notevole contributo derivò dalle nuove conoscenze sulla natura della luce. Per
decenni gli scienziati che consideravano la luce secondo un modello corpuscolare,
cioè costituita da particelle, avevano trovato una vivace opposizione da coloro che
abbracciavano il modello ondulatorio secondo cui la luce e’ un’insieme di onde
elettromagnetiche. In quegli anni si affermò l’idea della luce con doppia natura. La
luce si rivela all’osservatore come un’onda, in particolare quando si propaga, ma si
manifesta come un flusso di particelle quando interagisce appunto con la materia. In
modo simile, la doppia natura riguarda anche gli elettroni che quindi devono essere
considerati sia come particelle dotate di una certa massa, ma anche come onde.
Inoltre le conclusioni raggiunte da Heisenberg con il principio di indeterminazione
portarono ad affermare che non e’ possibile stabilire allo stesso momento la posizione
di un elettrone e la sua energia. In altre parole, l’atto di misurare modifica le
caratteristiche dell’oggetto di misurazione. Infatti per guardare un oggetto in una
stanza buia lo si può bombardare con miliardi di miliardi di miliardi di fotoni senza
che questo si sposti di un millimetro. Al contrario, sparando fotoni sugli elettroni
questi modificano il loro moto e la loro posizione. Tale consapevolezza portò al
concetto di orbitale come zona probabilistica dello spazio introno al nucleo con la
massima probabilità di trovare un elettrone. Ogni orbitale viene oggi definito da 3
numeri quantici: n, l ed m che ne determinano la dimensione, la forma e
l’orientamento.
Altra importante scoperta che fece comprendere la debolezza dell’ipotesi dell’atomo
indivisibile, fu quella della radioattività.
Le conoscenze attuali sulla radioattività ci portano a dire che l’atomo non è
indivisibile. Infatti alcuni atomi instabili come l’uranio, ad esempio, sono in grado di
trasformarsi spontaneamente in altri elementi emettendo radiazioni che sono a
seconda dei casi raggi α, ß o γ. Oggigiorno, negli acceleratori di particelle, le
particelle vengono accelerate e fatte collidere. Da queste collisioni se ne formano di
più piccole. Il numero di particelle e’ così elevato da aver fatto dire al fisico italiano
Fermi: ‘se fossi in grado di ricordare il nome di tutte le particelle subatomiche farei il
botanico’.
Modello
quantomeccanico
Radioattivita’
Principio
Heisenberg
Modello
Bohr
Legge
Dalton
Teoria
Planck
Legge
Proust
Modello
Thomson
Legge
Lavoisier
Proprieta’
elettriche
Legge
Boyle
Galilei
L’albero della
TeoriaAtomica
Gassendi
Democrito
Lucrezio
Epicuro
ps: Einstein non accettò mai la meccanica quantistica dell’atomo cosa che lo porto’
ad affermare ‘Dio non gioca a dadi’. Cercò di smontarla in tutti i modi. Non vi riusci’
e tutte le nuove conoscenze di fisica, chimica e biologia confermano la meccanica
ondulatoria.
