L'ATOMO e le sue particelle

L'ATOMO e le sue particelle

LA TEORIA ATOMICA DI DALTON

Lo studioso inglese J.Dalton all'inizio del XIX secolo, attraverso l'ingegnosa interpretazione delle leggi fondamentali della chimica a quel tempo note arrivó alla conclusione che la materia é discontinua cioé formata da perticelle. Sulla base di queste tre leggi Dalton nel 1803 formuló la prima teoria atomica della materia. Tale teoria puó essere cosí schematizzata:

o       o        La materia non é continua, ma é composta da particelle che non possono essere ulteriormente divisibili né trasformabili:gli atomi;

o       o        Gli atomi di un particolare elemento sono tutti uguali tra loro e hanno la stessa massa;

o       o        Gli atomi di elementi diversi hanno massa e proprietá differenti;

o       o        Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non tra frazioni di essi;

o       o        In una reazione chimica tra due o piú elementi gli atomi, pur conservando la propria identitá , si conbinano secondo rapporti definiti dando luogo a composti.

IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON

Nel modello atomico di Thomson, formulato nel 1898, da J.J.Thomson, si ammetteva che l'atomo, piuttosto che la sferetta solida e compatta ipotizzata da Dalton, fosse un aggregato di particelle piú semplici. Alla luce dei pochi dati sperimentali in suo possesso, J.J.Thomson ipotizzó che l'atomo fosse costituito da una sfera omogenea carica di elettricitá positiva in cui gli elettroni erano distribuiti in maniera uniforme e senza una disposizione spaziale particolare.

IL MODELLO ATOMICO DI RHUTERFORD

Rhuterford ipotizzó che la massa e la carica positiva fossero concentrate in una parte molto piccola dell'atomo chiamata nucleo, e che gli elettroni si trovavano nella zona periferica, a grande distanza dal nucleo.
Questa ipotesi nasceva da un'importante esperienza, effettuata da due allievi di Rutherford. Una lamina sottilissima di metallo veniva bombardata con particelle alfa veloci; uno schermo rivelatore indicava poi i punti di arrivo della particelle alfa, permettendo quindi di stabilirne la traiettoria dopo il passaggio attraverso la lamina.

Se fosse stato valido il modello di Thomson, cioé se l'atomo avesse avuto una struttura omogenea, la particelle alfa avrebbero dovuto comportarsi tutte nello stesso modo, perché in qualunque punto avessero colpito la lamina metallica avrebbero trovato situazioni equivalenti.
In realtá le particelle alfa si comportarono in modo diverso: per la maggior parte passarono senza subire nessuna deviazione, ma alcune vennero deviate secondo vari angoli e alcune vennero addirittura respinte. Questo comportamento spinse Rutherford a formulare la sua ipotesi; le perticelle che non venivano deviate erano quelle che passavano abbastanza distanti dai nuclei. Quelle che si avvicinavano ai nuclei venivano deviate per effetto della repulsione elettrica, visto che sia le particelle che i nuclei sono positivi; tanto piú si avvicinavano ai nuclei, tanto piú fortemente venivano deviate. Quelle che andavano direttamente verso i nuclei venivano respinte: queste ultime erano poche, perché il il nucleo occupa una parte molto piccola rispetto allo spazio occupato da un atomo e quindi la propabilitá che una particella si dirigesse proprio contro un nucleo era bassa IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

 

Il nuovo modello di atomo fu proposto da Niels Bohr nel 1913.
Alcuni anni prima Max Planck aveva introdotto un concetto che non faceva parte della fisica classica, quello di quantizzazione. Se una grandezza é puó assumere soltanto determinati valori e non altri. Planck aveva dovuto introdurre questo concetto per spiegare un altro fenomeno che aveva costituito un rompicapo per i fisici: la radiazione del corpo nero. Bohr pensó che un'ipotesi analoga potesse permettere di spiegare i fenomeni che riguardano gli atomi. Il modello di Bohr si basa su alcune ipotesi fondamentali:

o       o        PRIMA IPOTESI: Nell'atomo gli elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite circolari. Ognuna di queste orbite ha un raggio ben determinato.

o       o        SECONDA IPOTESI: Il momento angolare degli elettroni é quantizzato. Esso puó assumere soltanto certi valori (valori permessi), ma non puó assumere i valori intermedi fra quelli permessi.

Dopo aver introdotto queste ipotesi, Bohr studia la situazione dell'elettrone utilizzando le leggi della fisica classica. L'elettrone é soggetto alla forza di attrazione del nucleo. Questa forza provoca il suo moto di rotazione e quindi costituiscela forza centripeta. Gli elettroni nelle loro orbite possiedono una certa quantitá di energia; essi infatti sono in moto, e quindi hanno energia cinetica; inoltre hanno energia potenziale dovuta all'attrazione elettrostatica tra elettrone e nucleo.

TERZA IPOTESI: Finché un elettrone rimane nella sua orbita, non emette e non assorbe energia.

Per passare da un'orbita con energia minore a un'orbita con energia maggiore (cioé da un'orbita piú interna a una piú esterna), l'elettrone deve ricevere dall'esterno una quantitá di energia corrispondente alla differenza di energia fra le due orbite; se invece passa da un'orbita con energia maggiore a un'orbita con energia minore, l'elettrone emette una quantitá di energia pari alla differenza di energia fra le due orbite. L'energia viene emessa o assorbita sotto forma di radiazione elettromagnetica. Esiste una relazione matematica fra i valori di energia delle orbite di partenza e di arrivo e la frequenza della radiazioni:

E1-E2 = h v

dove:
E1 é l'energia dell'orbita sulla quale si trovava l'elettrone all'inizio
E2 é l'energia dell'orbita sulla quale si é portato l'elettrone
h é la costante di Planck
v é la frequenza della radiazione emessa o assorbita

L'ipotesi di Bohr sulla struttura dell'atomo spiega quindi perché gli spettri di emissione degli atomi sono spettri discontinui, a righe: ogni riga corrisponde a un ben determinato valore di energia, che a sua volta corrisponde alla differenza di energia fra due orbite.Quest'ultimo modello è quello che più si avvicina al modello vero e proprio.infatti nell'età moderna si è arrivati ad affermare che:
L'atomo è composto da un nucleo a carica elettrica positiva e da uno o più elettroni a carica elettrica negativa che orbitano attorno ad esso (in realtà gli elettroni, seguendo le leggi della meccanica quantistica, non seguono un'orbita ellittica e regolare come i pianeti, ma formano un caotico e irregolare intreccio di scie ad altassima velocità che avvolgono il nucleo atomico in una sorta di nube).Il nucleo atomico, a sua volta, è composto da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. I protoni hanno carica elettrica positiva e i neutroni carica elettrica nulla.Visto e considerato che l'atomo ha complessivamente una carica elettrica nulla, i protoni sono sempre accompagnati da un uguale numero di elettroni in modo da annullare a vicenda le rispettive cariche.E interessante sapere come le dimensioni del nucleo siano estremamente minime rispetto al limite delle orbite tracciate dagli elettroni: se paragoniamo le dimensioni di un atomo alle dimensioni di una stanza, il nucleo sarà grande più o meno come una briciola di pane e gli elettroni compiranno le loro orbite rasentando i muri.

L'elettricità e le quattro forze. Da quando l'esperimento determina la validità delle leggi della fisica, sappiamo che cariche elettriche uguali si respingono e cariche elettriche diverse si attraggono.
Con buona pace di Hume e del suo scetticismo, i fisici hanno dedotto tale legge dalla ripetuta abitudine della materia a reiterare in modo costante i suoi comportamenti.Si era constatato che, strofinando l'ambra con un panno, il panno stesso veniva attratto dalla materia strofinata: ciò era possibile perché gli atomi superficiali dell'ambra perdevano elettroni (più leggeri dei protoni). L'ambra risultava così a prevalenza di cariche positive (i protoni erano la maggioranza), mentre il panno, carico degli elettroni sottratti, risultava a prevalenza di cariche negative.La legge dell'attrazione elettrica (da electrum=ambra) poneva e pone tutt'ora un quesito fondamentale: come possono i protoni, che hanno carica elettrica uguale, rimanere uniti tra loro così saldamente?

I fisici hanno dedotto dallo stato della materia l'esistenza di quattro forze determinanti:

1. La prima forza è la forza nucleare forte , è la forza che permette ai protoni di rimanere uniti tra loro, la sua azione incollante è la più forte delle quattro, in quanto riesce a tenere uniti l'uno contro l'altro protoni con la stessa carica;

2. La seconda forza è la forza nucleare debole , è responsabile del decadimento di alcune particelle nucleari (non tutti gli atomi sono stabili al loro interno, capita, per alcuni di essi, che perdano per strada qualche particella e che sprigionino così dell'energia, oltre a dare origine a nuove particelle), il decadimento di un atomo è detto radioattività;

3. La terza forza è la forza elettromagnetica, tiene uniti gli elettroni al nucleo ed è più debole della prima forza;

4. La quarta forza è la forza di gravità, è la più debole di tutte, in quanto per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di materia.

I Quark. Non tutte le particelle che compongono l'atomo sono particelle elementari, ciò vuol dire che alcune particelle sono a loro volta composte da altre particelle più piccole.
In particolare il protone e il neutrone sono composti da tre particelle dette quark.

Potrebbe essere interessante sapere che il nome di tali particelle è preso da un passo del Finnegans Wake di James Joyce, e sarebbe la contrazione di question mark, ovvero punto interrogativo.

I quark sono in tutto sei, essi si distinguono per massa e carica elettrica.

1. Quark Up (quark su), detto anche quark-u. Ha massa di 9 per 10 alla meno 30, ovvero 9 preceduto da 30 zeri, carica elettrica pari a due terzi di quella del protone.

2. Quark Down (quark giù), detto anche quark-d. Ha massa di 1.8 per 10 alla meno 29, carica elettrica pari a meno un terzo di quella del protone.

3. Quark Strange (quark strano!), detto anche quark-s. Ha massa di 3.5 per 10 alla meno 28, carica elettrica pari a meno un terzo di quella del protone.

4. Quark Charm (quark incanto!?), detto ache quark-c. Ha massa di 2.3 per 10 alla meno 27, carica elettrica pari a due terzi di quella del protone.

5. Quark Bottom (quark sotto), detto anche quark-b. Ha massa di 7.7 per 10 alla meno 27, carica elettrica pari a meno un terzo di quella del protone.

6. Quark Top (quark sopra), detto anche quark-t. Ha massa di 3.1 per 10 alla meno 25, carica elettrica pari a due terzi di quella del protone.

Il protone è costituito da 3 quark, 2 di tipo up e 1 di tipo down, il neutrone da 1 di tipo up e 2 di tipo down. Se qualcuno vorrà prendersi la briga di calcolare la somma delle rispettive cariche dei quark, si accorgerà che nel caso del protone la carica risultante equivale al valore intero della carica protonica, mentre per il neutrone, la somma delle tre cariche darà come rislutato zero, ovvero l'annullamento della carica.I quark vengono tenuti insieme tra loro dalla forza forte, la stessa che lega tra loro protoni e neutroni.
I quark inoltre decadono, a causa della forza debole. Essi a volte si traformano da up a down e viceversa, cambiando in questo modo anche i protoni, i quali diventano neutroni e viceversa.
Il loro decadimento produce altre particelle, tra le quali i bosoni e gli antineutrini (ciò è definito decadimento beta, comportamento radioattività scoperto da Fermi nel 1933).L'esistenza dei quark che non appartengono alla famiglia primaria degli up e dei down è stata dedotta da altri processi di decadimento, i quark sembra si possano osservare sempre accoppiati, ecco perché ad un quark up corrisponde sempre un quark down, ad un strange un charm, e ad un bottom un top.

La speranza di venirne a capo, ovvero le stringhe. Cos'è la teoria delle stringhe se non un tentivo di venire a capo all'infinita suddivisione della materia in particelle?Questa teoria ancora in corso di sviluppo (per alcuni la vera rivoluzione scientifica del terzo millennio casualmente iniziata nel secondo), cerca di considerare le particelle da un nuovo punto di vista: per la teoria delle stringhe, le particelle non sarebbero oggetti puntiformi ma dei lacci, delle cordicelle vibranti.Quest'ipotesi nasce dall'esigenza di trovare una teoria elegante, ovvero una teoria che possa mettere un po' d'ordine nell'infinita parata di particelle e iterazioni che si sono trovate davanti i fisici nel corso del '900 e che spieghi ogni fenomeno fisico partendo da alcuni semplici assunti.Alcuni ipotizzano che le stringhe non siano nemmeno corde, ma tubicini, cavi al loro interno, attorno ai quali si trovino arrotolate su se stesse dimensioni spazio-temporali ignote e inaccessibili e che le stringhe possano essere sia di tipo aperto che chiuso (ad anello).In ogni caso, dimostrare la loro esistenza e le loro proprietà di base significherebbe semplificare di molto (almeno al livello teorico) la complessità dei modelli atomici e subatomici contemporanei, certamente una sfida affascinante.

In buona sostanza,alla luce delle conoscenze attuali,non commettiamo alcun errore se consideriamo finita tutta la realtà in cui ci troviamo. L'universo è finito, e così il numero dei granelli di sabbia,delle stelle e dei quark presenti in tutto lo spazio cosmico. Quando in fisica e in astronomia si parla di infinitamente piccolo e di infinitamente grande,almeno per adesso, si parla in realtà di piccolissimo e di grandissimo,ma non di infinito.