3) Lo sviluppo dei modelli atomici

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Per modello atomico si intende un insieme di regole e formule in grado di descrivere il funzionamento di un atomo. Un modello atomico perfetto dovrebbe essere in grado di predire con precisione matematica, tutti i comportamenti che gli atomi da noi conosciuti possono assumere. Leggendo l’articolo La teoria atomica vi accorgerete come attorno al 1800 gli scienziati avessero solo una vaga idea di cosa potessero essere gli atomi: addirittura li immaginavano come particelle minuscole ed indivisibili.

 

effetto elettrostatico
Effetto elettrostatico


A quel tempo però era già noto un effetto curioso, che potete provare anche voi stessi: se strofinate una penna di plastica oppure un tubetto di vetro con un maglione, vi accorgerete che avvicinando il tubetto a dei piccoli pezzetini di carta, li attirerà. Ma com’è possibile? Strofinando si genera una separazione di cariche, positive e negative: ma allora se esistono queste cariche non è vero che l’atomo è indivisibile, ma esistono invece particelle più piccole che possono avere una carica elettrica. Queste particelle sono gli elettroni ed il prossimo passo sarebbe stato quello di dimostrarne l’esistenza.

Verso la fine del 1800 arrivò Thompson con il suo famoso esperimento. Prese un tubo di vetro ed inserì al suo interno due elettrodi: un elettrodo era collegato al polo negativo di una batteria, mentre l’altro era collegato al positivo. Poi mise il tubo sottovuoto, per esaminare cosa succede senza l’interferenza dell’aria. L’effetto fu piuttosto sorprendente per l’epoca: dal catodo partiva una scia di luce verde in direzione dell’anodo, che poi però lo superava ed andava oltre. Per capire cosa fosse questo fascio di luce verde, pensò prima di tutto di mettere nel mezzo del tubo
una barriera con una forma particolare.


tubo crookes


Notò così che il fascio di luce verde non passava attraverso questa barriera. Poì provo ad avvicinare dei magneti al fascio, e si accorse che esso veniva respinto dal polo negativo di un magnete, mentre veniva attirato dal polo positivo. Da questo si possono trarre interessanti conclusioni:
  • il fascio di luce verde è costituito da particelle, poichè non attraversa la barriera
  • sono particelle cariche negativamente, poichè vengono respinte dal polo negativo di un magnete ed attirate invece dal positivo
Gli atomi in condizioni standard sono però neutri, quindi significa che oltre all’elettrone esiste anche una particella di carica positiva, ovvero il protone. Venne scoperto poco dopo, modificando l’esperimento del tubo a vuoto di Thompson: venne modificato il catodo, inserendo questa volta un piatto forato ed invece del vuoto venne utilizzato il gas idrogeno. L’idrogeno normalmente è neutro: è composto da un atomo con un protone nel nucleo ed un elettrone esterno, quindi le due cariche si annullano a vicenda. Ma la tensione presente tra positivo e negativo dentro al tubo di vetro, ionizza l’atomo di idrogeno, ovvero gli strappa via il suo elettrone. Rimaniamo quindi con un atomo di idrogeno ionizzato e quindi positivo vicino al catodo negativo, mentre l’elettrone si allontana verso l’anodo che è positivo.

thompson panettoneAllora Thompson immaginò l’atomo come una sfera positiva nella quale sono immersi gli elettroni sparpagliati qua e là casualmente. Venne chiamato modello panettone non a caso, visto che gli elettroni ricordano l’uva passa inserita nel panettone (la sfera positiva).

Nel frattempo venne scoperta la radioattività, ovvero la capacità di un elemento di emettere particelle, ad esempio alfa o beta. Allora non era ancora conosciuto il motivo delle emissioni radioattive, ma Rutherford utilizzo queste ultime per studiare la struttura degli atomi.
Mise un elemento radioattivo all’interno di un contenitore in piombo (il piombo ferma le onde alfa) praticando un piccolo foro in modo che i raggi alfa escano in una sola direzione. Successivamente ha posto una lamina d’oro poco distante dal foro ed una pellicola fotografica tutto attorno. I raggi alfa escono dal foro e si dirigono verso la lamina d’oro: se colpiscono successivamente la lastra fotografica lasciano un segno indelebile del loro passaggio. A questo punto è molto interessante quello che succede: buona parte dei raggi attraversano indisturbati la lamina d’oro e colpiscono direttamente la lastra fotografica; una minima parte invece raggiunge la lastra fotografica subendo una leggera variazione di traiettoria, ed infine una parte infinitesimale cioè 1 su 10000 non attraversa la lamina d’oro e rimbalza indietro.

deviazione particelle alfa
A questo punto Rutherford dovette interpretare questi dati ed utilizzarli per correggere il modello a panettone di Thompson. Prima di tutto si può intuire che non si tratta di una sfera piena nella quale sono immersi gli elettroni, poiché buona parte dei raggi riescono a passare. La parte di raggi che invece viene deviata pur passando, probabilmente colpisce di striscio quella parte dell’atomo “piena” che riesce a respingere completamente una infinitesima parte dei raggi.
Visto che la percentuale di raggi respinta è molto molto bassa, significa che la parte consistente e solida dell’atomo è molto piccola. Da questo Rutherford dedusse che gli atomi erano composti da un nucleo centrale piccolissimo e solido, mentre gli elettroni ruotano attorno ad esso: una specie di sistema solare in miniatura!


modello atomico di rutherfordMa l’atomo di Rutherford appartiene ovviamente alla “fisica classica” ovvero segue le leggi fisiche che venivano considerate universali prima della nascita della fisica quantistica. In pratica l’elettrone ruota attorno al nucleo come un pianeta orbita attorno al sole e più l’elettrone si avvicina al nucleo e più la sua velocità deve aumentare per mantenersi in orbita. Ma secondo le leggi dell’elettromagnetismo, un elettrone (e quindi una carica elettrica) che si sposta, genera delle onde elettromagnetiche (luce, oppure onde radio) consumando quindi energia. Se l’elettrone consuma energia significa che “frena” come l’attrito con l’aria frena un paracadute e quindi in questo modello atomico tutti gli elettroni in realtà sono destinati a cadere verso il nucleo, poichè rallentando non hanno più una velocità sufficiente a mantenerli in orbita. Tuttavia questo in natura non succede, quindi significa che il modello di Rutherford è sbagliato.


Nel frattempo Planck lavorando sullo studio delle emissioni di un corpo nero, si accorse di una cosa a dir poco eccezionale. Un corpo nero è un metallo riscaldato a diverse temperature: sappiamo benissimo che se scaldiamo un pezzo di ferro esso diventerà rosso e più sarà caldo più il rosso sarà vivo fino a diventare bianco, poi verso l’azzurro per le temperature più estreme. Planck studiò la frequenza e l’energia dei colori emessi, ma non riusciva a scrivere una formula capace di prevedere tutti i colori che un metallo può assumere, dalle basse alle altissime temperature. Applicò due formule differenti, una che si dimostrava corretta solo alle alte temperature, l’altra che si dimostrò corretta solo alle basse temperature. Infine il colpo di genio: il problema non era la formula, ma il fatto che il calore e l’energia emessa sottoforma di radiazione luminosa vanno considerate in “pacchetti” ben definiti e non suddivisibili! La cosa era assurda e lo stesso Planck per molto tempo non volle accettarla ed anzi, preferiva cercare altre formule ed altre soluzioni, ma non ci riuscì. Chiamò questo pacchetto di energia “quanto” dando così vita alla fisica quantistica. Per farvi capire quanto sia incredibile la scoperta del quanto, devo farvi un esempio nella fisica classica. Immaginate un auto che percorre un chilometro: percorrendolo essa attraverserà tutte le posizioni possibili dal punto iniziale al punto di arrivo, mentre voi la vedete fluidamente attraversare il percorso. Nella fisica quantistica non succede questo! Se l’automobile fosse un elettrone lo vedreste spostarsi “di scatto” da un punto ad un altro, tralasciando i punti intermedi: ad esempio se il percorso da A verso B è molto breve, l’automobile può essere o in A oppure in B, ma non nei punti intermedi, come se i punti intermedi proprio non esistessero. Stessa cosa vale per gli scambi energetici: un elettrone può assorbire 1 2 o 3 quanti di energia, ma non 0.9 quanti di energia. Scaldando una pentola noi non ce ne accorgiamo (gli effetti quantistici non sono visibili nel mondo macroscopico) ma in quel preciso istante stiamo trasferendo quantità enormi di quanti energetici dal fuoco alla pentola. Se la nostra pentola fosse microscopica, potrebbe trovarsi a 0°c oppure bollire a 100°, ma non potrebbe avere alcun altro valore tra 0 e 100.

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