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 del protone

Con il post di oggi completo il poker delle scoperte alla base del modello atomico: elettrone, neutrone, neutrino e ora protone.

Il fondamentale atomo d'idrogeno

Ernest Rutherford

Dopo la scoperta dell'elettrone nel 1897 da parte di Joseph John Thomson, era presumibile immaginare l'esistenza anche di una particella di carica positiva. D'altra parte già nel 1815 William Prout propose l'idea che tutti gli atomi fossero composti da atomi di idrogeno. Misure sempre più accurate verificarono l'inesattezza della tesi di Prout, ma l'idea di un "oggetto" che fosse la base per gli altri era ormai seminata.
La scoperta della particella di carica positiva sembrava, però, non così semplice: il rapporto carica massa dei raggi anodici, scoperti da Eugen Goldstein nel 1886, aveva valori differenti per gas differenti, a differenza di quanto avveniva con i raggi catodici.
Un importante passo avanti venne fatto nel 1911 quando Ernest Rutherford scoprì i nuclei atomici come la sede della carica positiva di un atomo⁽¹⁾. Tale scoperta indusse Antonius van den Broek, avvocato olandese con la passione per la fisica, a suggerire che la posizione degli atomi nella tavola periodica dipendesse dalla carica del nucleo⁽²⁾. Tale idea venne sperimentalmente confermata nel 1913 da Henry Moseley utilizzando la spettroscopia a raggi X⁽³⁾. Morì nel 1915 durante la prima Guerra Mondiale e secondo Rutherford avrebbe sicuramente vinto il premio Nobel per la sua scoperta.
L'esperimento di Rutherford era abbastanza semplice: bombardò una sottile lamina d’oro con dei raggi alfa. Dal lato opposto rispetto al punto di collisione, osservò la distribuzione delle particelle alfa che attraversavano la lamina. Dai risultati di questa collisione, Rutherford dedusse l’esistenza, al centro, di un nucleo di carica positiva.

Cecilia e le lezioni di Rutherford

Il corso avanzato in fisica iniziò con le lezioni di Rutherford. Ero la sola studentessa a seguirli e il regolamento richiedeva che le donne si sedessero da sole in prima fila. C'era stato un tempo in cui era necessario un accompagnatore ma per fortuna quei giorni erano passati. Ad ogni lezione Rutherford mi guardava con attenzione, mentre mi sedevo da sola sotto il suo naso, e iniziava con la sua voce stentorea: "Signore e signori". Tutti i ragazzi salutavano regolarmente questa battuta con applausi fragorosi, battendo con i piedi nel modo tradizionale, e ad ogni lezione avrei voluto sprofondare sotto terra. Fino a oggi ho istintivamente preso posto il più lontano possibile in una sala per conferenze.

- Cecilia Payne

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.