Com’è fatto l’Atomo: protoni incatenati, elettroni che scompaiono e il vuoto ribolle

13 Luglio, 2019

Niente è davvero come sembra, ma iniziamo dal principio…

In un Passato molto molto lontano…

È quel momento dell’anno in cui la primavera, con eleganza umile e discreta, cede il passo all’estate. L’aria è piena di profumi e di vita; c’è fermento, c’è attesa. È il IV secolo a.C., Abdera non è mai stata così bella.

Un uomo dai folti ricci neri e la pelle ambrata incede per le vie di questa polìs della Grecia Antica. Procede, senza fretta, senza meta. Incontra molti sguardi sulla sua via, ma non ne ricambia nessuno. Il suo di sguardo va oltre, oltre l’infinito, oltre il mondo degli uomini. Chi lo incontra non se ne offende. Tutti in città ormai conoscono i modi distratti e a volte scostanti di Democrito, sanno che è un uomo buono, un uomo di sapere, di filosofia.

È proprio durante una di quelle lunghe passeggiate erranti, davanti a un mare ancora incontaminato, che egli presenterà al genere umano per la prima volta nella storia, il concetto di particella indivisibile: άθομος, atomo. O almeno così mi piace raccontarla…

Dalla Grecia Antica alla Scienza Moderna

Certo quando Democrito pensò all’atomo come elemento cardine della sua filosofia, non intendeva assolutamente l’uso che ne avremmo fatto noi più di DUEMILA anni dopo e nemmeno poteva immaginare che non fosse una particella indivisibile affatto, ma andiamo per gradi.

Il primo a usare questa parola per descrivere le composizione di tutta la materia che ci circonda e di cui noi stessi siamo fatti è stato un maestro di scuola, il signor John Dalton all’inizio del 1800 (è proprio dal suo nome che deriva la parola daltonismo, ma questa è tutta un’altra storia). Il motivo per cui scelse questo termine è perchè si aspettava appunto che questi atomi fossero particelle indivisibili. Ci pensò il tempo a smentirlo. Successivamente il signor JJ Thompson nel 1897, circa 90 anni dopo, scoprì l’esistenza degli elettroni e il collega Millikan determinò che avessero carica negativa.

Passarono altri 14 anni e nel 1911 Rutherford scoprì che gli elettroni si muovevano intorno a un nucleo fatto di protoni carichi positivamente e capì che dovevano essere in numero uguale perchè l’atomo fosse neutro.

Nel 1932 infine John Chadwik diede un nome e un volto alla terza particella subatomica, il neutrone e stabilì che si trovava anch’esso nel nucleo (scoperta che gli fece guadagnare il premio Nobel in scioltezza).

U

AHA!

Quindi riassumendo il concetto di atomo come tutti noi oggi lo concepiamo o meglio, diamo per scontato, ha solo 86 anni, incredibile vero?

E non sarebbe ancora più incredibile se ti dicessi che non è come lo immagini? Tienilo a mente, niente è come sembra.

Image by MeHe from Pixabay

Le Dimensioni Contano

Quindi sappiamo che l’atomo è fatto da un nucleo costituito da  protoni carichi positivamente e neutroni, e dagli elettroni che si muovo tutt’attorno a esso. Sai inoltre che tanto l’atomo quanto le particelle subatomiche, sono piccoli, estremamente piccoli.

Ti faccio un esempio: pensa al protone, esso ha una massa (cioè pesa, ma questo termine è fisicamente sbagliato) 10000 volte maggiore di un elettrone, cioè se immaginassimo un elettrone con massa di 1 kg un protone peserebbe 10 tonnellate, l’equivalente di un camion. Ciò nonostante il protone è una particella infinitesima, con una massa piccolissima. Diciamo che tra il protone e un uomo medio di 70 kg sussiste la stessa differenza in termini di massa che c’è tra quest’uomo e il pianeta GIOVE!

I neutroni poi hanno la stessa massa dei protoni: nel nucleo infatti è racchiusa la quasi totalità della massa atomica alla quale gli elettroni partecipano in una percentuale quasi trascurabile. Il nucleo quindi ha una densità enorme pari a 10^17 kg/m3. Significa che per ottenere la stessa densità dovremmo comprimere in un cubetto da 1 cm3 la massa di un milione di camion da 10 tonnellate ciascuno.

Quindi abbiamo capito che le particelle subatomiche sono leggere ma molto toste, ma quanto sono piccole?

Se un atomo fosse grande come un pompelmo,  il pompelmo dovrebbe essere grande come la terra. Sulla grandezza dell’elettrone (o piccolezza) si sa poco, non sono stati ancora in grado di individuare un raggio preciso quindi generalmente si dice che è puntiforme. L’elettrone è un personaggio alquanto sfuggente, vedrai…

Riassumendo se immaginassimo un atomo grande quanto la cupola di San Pietro (che ha un raggio di circa 21 m), il nucleo al centro dovrebbe essere circa 1 mm, cioè più o meno quanto la capocchia di uno spillo e l’elettrone, molto più piccolo di un granello di polvere  si muoverebbe intorno.

 

Nascosti in Piena Vista

Mumble

“Ma si può vedere un atomo?”

Per ora la risposta è NO: la tecnologia a nostra disposizione non ci consente di vedere un singolo atomo; infatti condizione necessaria e sufficiente perché qualcosa possa essere visto è che questo sia in grado di deflettere (cioè di deviare) la luce. Come abbiamo visto insieme, un atomo è una particella piccolissima e non esiste radiazione luminosa sufficientemente piccola da interagire con esso…

MA forse qualcuno è riuscito a sbirciare qualcosa. il suo nome è David Nadliger, è  un dottorando dell’università di Oxford e questo è quello che ha fotografato con una semplice fotocamera.

Immagine tratta dalla rivista Focus “La foto di un singolo atomo visibile a occhio nudo”. Foto di David Nadliger, Università di Oxford.

U

AHA!

Signore e signori vi presento l’atomo di Stronzio! è un atomo piuttosto grosso, per questo il caro David è riuscito a catturarlo in un’immagine; un atomo di idrogeno è molto più piccolo e di conseguenza ancora invisibile ai nostri occhi.

Fino ad ora – e con un certo successo- gli scienziati sono riuscit,i però, a paparazzare, del tutto in esclusiva, molecole, cioè strutture composte da più atomi legati insieme, quindi sensibilmente più grandi.

Nel 2009 il dott. Leo Gross e nel 2015 il Dott. Dianca hanno pubblicato su Science e Nanoscale rispettivamente due articoli in cui spiegano come siano riusciti a fotografare una molecola di pentacene tramite la tecnica dell’Atomic Force Microscopy.

Foto tratta da “Pentacene on Ni(111): room-temperature molecular packing and temperature-activated conversion to graphene” L.E. Dinca et al. Nanoscale, 2015

Inoltre nel 2010 il team di Toshio Ando dell’università di Kanazawa in Giappone ha pubblicato un articolo su Nature in cui spiega come siano riusciti a FILMARE due proteine in movimento (le proteine sono molecole davvero enormi).

 Il video mostra la proteina miosina che si muove su un filamento di actina, CIOè grazie a questi ricercatori possiamo osservare a livello molecolare cosa succede ogni volta che contraiamo qualsiasi muscolo del nostro corpo. E’ esattamente quello che sta succedendo sul tuo viso proprio adesso mentre fai quell’espressione stupita. Beccato?

Ma se potessimo vedere un Atomo, cosa vedremmo?

All’inizio ti ho detto che i protoni stanno nel nucleo insieme ai neutroni.

Mumble

I protoni, però, come fanno a stare insieme ?

Sono tutte particelle cariche positivamente non dovrebbero respingersi?

La risposta è no perchè sono tenuti insieme, letteralmente imbrigliati dall’Interazione Forte. Questa è una delle quattro forze riconosciute come fondamentali ed è la più forte in natura. Quanto forte? è la responsabile della distruzione di Chernobyl, è l’energia devastante che una bomba atomica rilascia quando esplode.

Essa agisce soltanto su particolari tipi di particelle dette quark. Protoni e neutroni, infatti,i non sono particelle fondamentali, ma sono formate da particelle ancora più piccole, appunto i quark. L’interazione forte che tiene insieme i quark permette che il nucleo non si disgreghi ma rimanga incollato. Quando gli scienziati scoprirono che i quark erano legati dalla forza forte e che questa forza era veicolata da parte di mediatori, decisero di chiamare questi ultimi scherzosamente gluoni , da glue che in inglese vuol dire colla (è pur sempre humor scientifico, abbi pazienza).

Intorno al nucleo, poi, gravitano gli elettroni, in numero uguale ai protoni, ma con carica negativa. 

Questa è la rappresentazione comune di un atomo, chiamata modello planetario perchè ricorda proprio quello del sistema solare con i pianeti che ruotano intorno al sole. Giusto?

Image by Gerd Altmann from Pixabay 

U

AHA!

Sbagliato, gli atomi non sono fatti così!!! E soprattutto l’elettrone non orbita.

“Ma come Sonia l’hai detto anche tu!” In realtà non ho mai detto veramente che orbitassero, ma più genericamente che si muovono intorno al nucleo. Non ti avevo forse avvertito? Niente è come sembra!

Preparati perchè sto davvero per scardinare tutto ciò che credevi di sapere fino ad ora sulla materia stessa che ti compone.

Niente è come Sembra

Shrodinger, Heisenberg e De Broglie, tre nomi, tre  uomini che hanno cambiato per sempre l’idea di come pensavamo fosse fatto il mondo, i padri della meccanica quantistica.

Gli sforzi congiunti di questi tre signori hanno fatto sì che prendessimo quel bel disegnino dell’atomo che vedi qui sopra e lo buttassimo nel cestino. E lo sai perchè?

U

AHA!

Perchè l’elettrone non disegna orbite intorno al nucleo, NO! Certo si muove intorno ad esso, ma non abbiamo assolutamente idea di come lo faccia. Cioè non siamo in grado di osservare la traiettoria* che compie durante il suo percorso. (*Principio di indeterminazione di Heisenberg)

Sembra come se apparisse e poi scomparisse per poi riapparire da tutt’altra parte. Immagina, per esempio, di trovarti in una stanza buia e lanciare  un pallone: vedresti come si muove? No però sapresti da dove è partito perchè l’hai lanciato tu e sapresti dove cade perchè ne sentiresti il rumore. In altre parole è  come se l’elettrone fosse letteralmente in grado di TELETRASPORTARSI. Te l’avevo detto che era un tipo sfuggente.

U

AHA!

Non si muove, però, a caso, ma in una porzione di spazio circoscritta e definita. Questa porzione si chiama orbitale ed è la zona dove è più probabile incontrare un elettrone. (*Funzione d’onda di Shrodinger)

Hai mai visto e/o letto Harry Potter e i Doni della Morte (spoiler alert: se non hai mai visto questo film -o letto il libro- PER L’AMOR DEL CIELO CHIUDI TUTTO E ACCENDI NETFLIX)?

I mitici Harry, Ron e Hermione (interpretati dai giovanissimi Daniel Rackliff, Rupert Grint ed Emma Watson) a questo punto della storia sono scappati da Hogwarts. Sappiamo che non torneranno mai più nella scuola e stanno cercando disperatamente gli Horcrux, cioè i talismani di magia nera nei quali Voldemort ha imprigionato i pezzi della sua anima, così da rendersi virtualmente immortale.

Gli Horcrux sono come gli elettroni e la terra è l’orbitale: fintanto che i protagonisti non li trovano ci sono possibilità, più o meno alte a seconda della zona, che questi oggetti si trovino ovunque sul pianeta!

Image by succo from Pixabay

Ma tutto questo perchè? Credimi le menti più brillanti che hanno calpestato questa terra se lo sono chieste e sono arrivate a una conclusione assurda, ma questa conclusione funziona! Le loro equazioni piene di lettere greche e freccette -che ,diciamolo, nessun comune mortale ci ha mai capito nulla- si sono improvvisamente risolte quando hanno deciso di pensare fuori dagli schemi.

U

AHA!

Hanno capito che l’elettrone è un soggetto con serie crisi di identità, cioè è una particella che, però si comporta come un’onda. Immaginandolo così, tutto tornava a posto. (*Relazione di De Broglie)

La beffa più grande che l’elettrone abbia mai fatto è stato convincere la fisica che lui sia solo una particella.. e come niente sparisce. Ebbene sì l’elettrone è Keyser Soze (se non hai colto anche questa citazione cinematografica, le mie condoglianze).

Alla luce di quello che ti ho appena detto l’atomo appare molto più probabilmente così

Atomo di cloro. Immagine tratta da pinostriccoli.altervista.org

Se pensi che assomigli a una pera deforme, hai assolutamente ragione!

 

E il Vuoto Ribolle

Da cosa sono fatti quindi gli orbitali, cioè le porzioni di spazio in cui si muovono gli elettroni?? VUOTO, ASSOLUTAMENTE E INEQUIVOCABILMENTE DI VUOTO. Sai quanto sia davvero lo spazio vuoto presente nella materia? 99,999999999%. Se questo vuoto non ci fosse la materia occuperebbe molto meno spazio!! Quanto di meno?

U

AHA!

Diciamo che se togliessimo lo spazio vuoto negli atomi tutti gli abitanti della terra occuperebbero lo spazio di una mela.

 Se il tuo primo istinto è stato guardare la tua stessa mano assalito dalla paura irrazionale che possa dissolversi da un momento all’altro, non sei il solo. 

Mumble

Quindi siamo fatti per la maggior parte di niente?

in realtà no, il fatto che uno spazio sia vuoto, non significa non ci sia niente. Devi sapere che il vuoto quantistico è pieno di cose, dobbiamo solo capire come vederle.

Sono concetti molto complicati ed è tuttora materia di studio dei più raffinati fisici teorici al CERN. Ti chiedo di fare ancora un piccolo sforzo di immaginazione.

Immagina che il nucleo dell’atomo sia un isoletta deserta grande un chilometro quadrato e che tu sia seduto su di essa, contemplando un bellissimo oceano tropicale, mentre sorseggi una freschissima pina colada direttamente da una noce di.. scusa sto divagando.

Quello che vedresti intorno a te sarebbe solo acqua, cristallina e calma, ma per quanto calma quest’acqua sarebbe perfettamente immobile?

Image by Pete Linforth from Pixabay 

Assolutamente no, anche nel mare più calmo che tu abbia mai visto puoi notare delle leggere onde che increspano la superficie. Questo è esattamente ciò che succede nel vuoto: queste increspature sono pura  energia, seppur a un livello molto basso.

Questa energia è conferita al vuoto da delle particelle appena scoperte al CERN chiamate Bosoni di Higgs: esse sono la brezza leggera che agita il mare.

Ora immagina che, mentre stai contemplando questo mare sterminato, improvvisamente un pesce salta fuori dall’acqua e altrettanto velocemente “riscompare”. Nel vuoto quantistico succede anche questo, particelle possono apparire e scomparire continuamente, ma ciò avviene in modo talmente veloce che gli strumenti a nostra disposizione fanno molta fatica a registrarle.

Come puoi vedere il vuoto letteralmente ribolle di vita e alla luce di questa evidenza chiamarlo vuoto non gli rende in alcun modo la giustizia che merita.

Il nostro viaggio dentro l’atomo si conclude qua. Ti ringrazio per avermi permesso di tenerti compagnia, spero di essere stata capace di farti scoprire qualcosa di nuovo, di sorprenderti e soprattutto di rubarti un sorriso.

Alla prossima volta con l’augurio di non smettere mai di farti domande. 

Sonia

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