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giovedì 17 dicembre 2015

Modelli atomici

Nell'ormai morto sito dedicato al breve documentario scientifico Powers of ten erano presenti alcuni modelli matematici sulla struttura della realtà. Seguendo lo spirito originario degli autori, Charles e Ray Eames, era presente anche il famoso modello planetario di Johannes Kepler basato sui solidi platonici e pubblicato sul trattato Mysterium Cosmographicum:
Ingrandendo la parte centrale del modello si ottiene una visione di quello che si trova all'interno della terza sfera dell'immagine precedente, ovvero i pianeti più interni:
Da Kepler e dal sistema solare saltiamo al micromondo degli atomi con Lord Kelvin e al suo modello atomico a vortici(1), che, seppure errato, abbe il cantaggio, come ricorda Frank Wilczek, di dare origine alla teoria topologica dei nodi.
Il primo modello in qualche modo efficace venne proposto da Joseph John Thomson(2): il modello a panettone si basava sui risultati sperimentali ottenuti da Thomson, che aveva scoperto l'elettrone nel 1894. Secondo Thomson gli elettroni si disponevano all'interno di una distribuzione sferica caricata positivamente.
Anche questo modello si rivelò errato grazie all'esperimento del 1909 di Hans Geiger ed Ernest Marsden, i cui risultati vennero correttamente interpretati da Ernest Rutherford nel 1911, conducendolo così al modello atomico che porta il suo nome(3).
Da qui il passo al modello di Bohr è breve:
E oggi, invece, per l'atomo si parla di orbitali elettronici intorno al nucleo, strutture non perfettamente definibili se non come una superfici o nuvole a simmetria sferica dove è probabile trovare l'elettrone, ottenendo alla fine un'immagine dell'atomo di idrogeno(4) completamente differente rispetto a quelle che abbiamo visto in precedenza:

(1) Thomson, W. (2014). On Vortex Atoms Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 6, 94-105 DOI: 10.1017/S0370164600045430 (html)
(2) Thomson, J. (1904). On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure Philosophical Magazine Series 6, 7 (39), 237-265 DOI: 10.1080/14786440409463107 (pdf)
(3) Rutherford, E. (1911). The scattering of $\alpha$ and $\beta$ particles by matter and the structure of the atom Philosophical Magazine Series 6, 21 (125), 669-688 DOI: 10.1080/14786440508637080 (pdf)
(4) Stodolna, A., Rouzée, A., Lépine, F., Cohen, S., Robicheaux, F., Gijsbertsen, A., Jungmann, J., Bordas, C., & Vrakking, M. (2013). Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States Physical Review Letters, 110 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.213001

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