Le grandi domande della vita: elettroni, neutroni e litigi di quartiere

Come ormai si stanno stabilizzando i post della rubbrica de Le grandi domande della vita, la prima parte è ampia e dedicata a un argomento che merita un certo approfondimento. Nella sua incarnazione mensile l'argomento principale non è sempre tratto da una domanda su quora, ma non è questo il caso, sebbene in qualche modo possa essere considerato come il passo successivo alle grandi scoperte sperimentali sulle particelle che hanno dato il via alla rivoluzione quantistica nei primi due decenni del XX secolo.

La caduta a spirale dell'elettrone

Uno dei motivi per cui si può tranquillamente affermare che la meccanica quantistica non è semplice da comprendere è che torna più o meno sempre una domanda tipo: come mai l'elettrone non cade dentro il nucleo?
La storia inizia con Ernest Rutherford. Se ricordate nella serie delle scoperte, avevamo visto come il fisico neozelandese aveva giocato un ruolo fondamentale nella scoperta del protone.
Rutherford, all'inizio del XX secolo, si trovava a Cambridge presso il prestigioso Cavendish Laboratory diretto da Joseph John Thomson che, dopo aver scoperto l'elettrone nel 1897, aveva proposto il famoso modello a panettone per l'atomo, ovvero una distribuzione di carica positiva con all'interno le cariche negative sparse qua e la come l'uvetta in un panettone. Rutherford, però, nel 1909 conducendo una serie di esperimenti con delle lamine d'oro scoprì che all'incirca una particella alfa su ottomila veniva respinta indietro. Dopo aver ripetuto l'esperimento varie volte, il fisico neozelandese concluse che l'unica spiegazione plausibile per tale comportamento era che all'interno dell'atomo doveva esistere un centro di carica positiva, mentre l'elettrone, la carica negativa, ruotava intorno a tale nucleo. Successivi esperimenti scoprirono che il nucleo occupava un millesimo di miliardesimo del volume dell'atomo con una massa del 99.98%: l'atomo era dunque una immensa distesa di vuoto, proprio come il Sistema Solare.
A causa dell'incredibile fiducia che i fisici riponevano nella meccanica dell'epoca, ovvero nelle leggi che oggi identifichiamo come "fisica classica" sviluppate da Galileo Galilei, Isaac Newton e raffinate da James CLerck Maxwell, nessuno all'epoca si era chiesto come mai l'elettrone non cadesse all'interno del nucleo. In realtà il modello di Rutherford destò l'interesse di Niels Bohr che, nel 1912, si ritrovò a lavorare proprio con Rutherford. La possibilità di accedere ai dati sperimentali del grande fisico, permise al teorico danese di constatare una certa incompatibilità tra il modello di Rutherford e le equazioni di Maxwell: secondo queste ultime l'elettrone avrebbe dovuto perdere energia a ogni giro, ridurre il raggio della sua orbita e finire inevitabilmente all'interno del nucleo in quella che può essere vista come una vera e propria caduta a spirale.
Quindi la conclusione doveva essere una di queste due: o gli esperimenti di Rutherford erano sbagliati o le equazioni di Maxwell non erano lo strumento matematico corretto per descrivere il comportamento di un elettrone all'interno dell'atomo.
Bohr optò per la seconda ipotesi, confortato dai risultati teorici ottenuti da Max Planck e Albert Einstein nel decennio precedente: Niels, infatti, avanzò l'ipotesi che l'elettrone nel nucleo può muoversi solo a determinate orbite. Ciascuna di queste orbite è associata a una diversa energia e l'elettrone può salire a un'orbita superiore solo se acquista un'energia pari alla differenza tra le due orbite, oppure se l'elettrone è su un'orbita superiore, può scendere a quella inferiore rilasciando sotto forma di fotone una quantità di energia pari alla differenza tra i due livelli: nasceva il modello dell'atomo di idrogeno di Bohr.
L'eleganza dell'idea venne accompagnata dalla correttezza dei risultati: il modello di Bohr era in grado di prevedere correttamente tutti i livelli dello spettro dell'idrogeno, ma già quando si provava ad applicare il modello all'elio, modello ed esperimenti non erano più in accordo. Era necessario introdurre qualche nuovo elemento nella faccenda. Il primo nuovo elemento lo introduce Louis de Broglie suggerendo che, così come la luce intesa come onda mostra comportamenti particellari, allora anche le particelle come gli elettroni possono mostrare comportamenti ondulatori. A partire da questo punto, Werner Heisenberg, ritiratosi sull'isola di Helgoland nel Mare del Nord per pensare meglio, elaborò la rappresentazione matriciale della meccanica quantistica che aveva come conseguenza il suo famoso principio di indeterminazione

La scoperta dell'elettrone

La materia atomica è costituita da tre particelle in particolare, protone, elettrone e neutrone. Mi sono già occupato della scoperta di quest'ultimo e di quella del neutrino, per cui all’appello mancano solo protone ed elettrone.
Prima di vedere come è stata scoperta la più piccola carica elettrica negativa libera in natura, andiamo però a vedere un breve giro storico sull'elettricità.

Cariche elettriche

Fascio di elettroni

L'esistenza dell'elettricità era nota sin dagli antichi Greci, che osservavano come l'ambra era in grado di attirare piccoli oggetti che erano stati sfregati con un panno di pelle. Insieme con il fulmine, queste erano le prime esperienze umane ricordate con i fenomeni elettrici. Il nome, a tali fenomeni, venne però assegnato da William Gilbert nel suo trattato del 1600, De Magnete: prendendo spunto dal nome greco dell’ambra (elektron), Gilbert coniò il nuovo termine latino electricus.
Poco più di un secolo dopo, agli inizi del XVIII secolo, Francis Hauksbee e François du Fay scoprirono, indipendentemente l'uno dall'altro, due distinti generi di ellettricità prodotti per sfergamento, quello dovuto al vetro e quello dovuto alla resina. Questo spinse du Fay a teorizzare l’esistenza di due distinti fluidi elettrici. Per parte sua Benjamin Franklin propose, invece, l’esistenza di un unico fluido elettrico che mostrava un eccesso (+) o un difetto (-), fornendo così la base per la moderna nomenclatura delle cariche. Franklin pensava che a venire trasportate fossero le cariche positive, ma non riuscì a fornire alcuna ipotesi su quando ci fosse un eccesso e quando un difetto di carica.
Tra il 1838 e il 1851 Richard Laming sviluppò l’idea che l’atomo fosse costituito da un nucleo di materia con delle cariche elettriche che vi ruotavano intorno. Nel 1874 George Johnstone Stoney suggerì che doveva esistere una "singola definita quantità di elettricità". Utilizzando la legge di Faraday sull’elettrolisi fu in grado di stimare il valore di e, ma non pensava fosse possibile separarla dall'atomo.