Fin dall'inizio dei tempi, gli esseri umani hanno cercato di capire di cosa è composto l'universo e tutto ciò che contiene. E mentre gli antichi magi e filosofi concepivano un mondo composto da quattro o cinque elementi – terra, aria, acqua, fuoco (e metallo, o coscienza) – dall'antichità classica, i filosofi iniziarono a teorizzare che tutta la materia fosse in realtà costituita da minuscoli, atomi invisibili e indivisibili.
Da quel momento, gli scienziati si sono impegnati in un processo di continua scoperta con l'atomo, sperando di scoprire la sua vera natura e costituzione. Nel XX secolo, la nostra comprensione si è affinata al punto che siamo stati in grado di costruirne un modello accurato. E nell'ultimo decennio, la nostra comprensione è progredita ulteriormente, al punto che siamo arrivati a confermare l'esistenza di quasi tutte le sue parti teorizzate.
Oggi la ricerca atomica è focalizzata sullo studio della struttura e della funzione della materia a livello subatomico. Questo non consiste solo nell'identificare tutte le particelle subatomiche che si pensa costituiscano un atomo, ma nell'indagare le forze che le governano. Questi includono forze nucleari forti, forze nucleari deboli, elettromagnetismo e gravità. Ecco una ripartizione di tutto ciò che abbiamo imparato finora sull'atomo...
Struttura dell'atomo:
Il nostro modello attuale dell'atomo può essere suddiviso in tre parti costituenti: protoni, neutroni ed elettroni. Ognuna di queste parti ha una carica associata, con protoni che trasportano una carica positiva, elettroni che hanno una carica negativa e neutroni che non possiedono carica netta. In conformità al Modello standard della fisica delle particelle , protoni e neutroni costituiscono il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni lo orbitano in una “nube”.
Il modello di Neils Bohr di un atomo di azoto. Credito: britannica.com
Gli elettroni in un atomo sono attratti dai protoni nel nucleo dalla forza elettromagnetica. Gli elettroni possono sfuggire dalla loro orbita, ma solo in risposta all'applicazione di una fonte esterna di energia. Più l'orbita dell'elettrone è vicina al nucleo, maggiore è la forza attrattiva; quindi, più forte è la forza esterna necessaria per far scappare un elettrone.
Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in orbite multiple, ognuna delle quali corrisponde a un particolare livello di energia dell'elettrone. L'elettrone può cambiare il suo stato a un livello energetico superiore assorbendo un fotone con energia sufficiente per portarlo al nuovo stato quantico. Allo stesso modo, un elettrone in uno stato energetico superiore può scendere a uno stato energetico inferiore irradiando l'energia in eccesso come fotone.
Gli atomi sono elettricamente neutri se hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Gli atomi che hanno un deficit o un surplus di elettroni sono chiamati ioni. Gli elettroni più lontani dal nucleo possono essere trasferiti ad altri atomi vicini o condivisi tra atomi. Con questo meccanismo, gli atomi sono in grado di legarsi a molecole e altri tipi di composti chimici.
Tutte e tre queste particelle subatomiche sono fermioni, una classe di particelle associate alla materia che è di natura elementare (elettroni) o composita (protoni e neutroni). Ciò significa che gli elettroni non hanno una struttura interna nota, mentre protoni e neutroni sono costituiti da altre particelle subatomiche. chiamati quark. Ci sono due tipi di quark negli atomi, che hanno una carica elettrica frazionaria.
Le particelle elementari del Modello Standard. Credito: PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
I protoni sono composti da due quark 'up' (ciascuno con una carica di +2/3) e un quark 'down' (-1/3), mentre i neutroni sono costituiti da un quark up e due quark down. Questa distinzione spiega la differenza di carica tra le due particelle, che corrisponde a una carica rispettivamente di +1 e 0, mentre gli elettroni hanno una carica di -1.
Altre particelle subatomiche includono i leptoni, che si combinano con i fermioni per formare i mattoni della materia. Ci sono sei leptoni nel presente modello atomico: le particelle di elettrone, muone e tau e i loro neutrini associati. Le diverse varietà delle particelle di Lepton, comunemente chiamate 'sapori', si differenziano per le loro dimensioni e cariche, che influenzano il livello delle loro interazioni elettromagnetiche.
Poi ci sono i bosoni di Gauge, conosciuti come 'portatori di forza' poiché mediano le forze fisiche. Ad esempio, i gluoni sono responsabili della forza nucleare forte che tiene insieme i quark, mentre si ritiene che i bosoni W e Z (ancora ipotetici) siano responsabili della forza nucleare debole dietro l'elettromagnetismo. I fotoni sono la particella elementare che costituisce la luce, mentre il bosone di Higgs è responsabile della massa dei bosoni W e Z.
Massa atomica:
La maggior parte della massa di un atomo proviene dai protoni e dai neutroni che compongono il suo nucleo. Gli elettroni sono la meno massiccia delle particelle costituenti un atomo, con una massa di 9,11 x 10-31kg e una taglia troppo piccola per essere misurata con le tecniche attuali. I protoni hanno una massa che è 1.836 volte quella dell'elettrone, a 1.6726×10-27kg, mentre i neutroni sono i più massicci dei tre, a 1,6929×10-27kg (1.839 volte la massa dell'elettrone).
Le masse di tutti e 6 i tipi di quark, con un protone e un elettrone (punto rosso) mostrati in basso a sinistra per la scala. Credito: Wikipedia/Incnis Mrsi
Il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo (chiamati 'nucleoni') è chiamato numero di massa. Ad esempio, l'elemento Carbon-12 è così chiamato perché ha un numero di massa di 12, derivato dai suoi 12 nucleoni (sei protoni e sei neutroni). Tuttavia, gli elementi sono anche organizzati in base al loro numero atomico, che è lo stesso del numero di protoni trovati nel nucleo. In questo caso il carbonio ha numero atomico 6.
La massa effettiva di un atomo a riposo è molto difficile da misurare, poiché anche gli atomi più massicci sono troppo leggeri per essere espressi in unità convenzionali. Come tale, gli scienziati usano spesso l'unità di massa atomica unificata (u) - chiamata anche dalton (Da) - che è definita come un dodicesimo della massa di un atomo neutro libero di carbonio-12, che è circa 1,66 × 10-27kg.
I chimici usano anche le moli, un'unità definita come una mole di qualsiasi elemento avente sempre lo stesso numero di atomi (circa 6.022×1023). Questo numero è stato scelto in modo tale che se un elemento ha una massa atomica di 1 u, una mole di atomi di quell'elemento ha una massa vicina a un grammo. A causa della definizione dell'unità di massa atomica unificata, ogni atomo di carbonio-12 ha una massa atomica di esattamente 12 u, quindi una mole di atomi di carbonio-12 pesa esattamente 0,012 kg.
Decadimento radioattivo:
Qualsiasi due atomi che hanno lo stesso numero di protoni appartengono allo stesso elemento chimico. Ma atomi con un uguale numero di protoni possono avere un diverso numero di neutroni, che sono definiti come differenti isotopi dello stesso elemento. Questi isotopi sono spesso instabili e tutti quelli con numero atomico maggiore di 82 sono noti per essere radioattivi.
Diagramma del decadimento alfa e beta in due isotopi di uranio. Credito: energy-senza-carbon.org
Quando un elemento subisce un decadimento, il suo nucleo perde energia emettendo radiazioni, che possono essere costituite da particelle alfa (atomi di elio), particelle beta (positroni), raggi gamma (energia elettromagnetica ad alta frequenza) ed elettroni di conversione. La velocità con cui un elemento instabile decade è nota come 'emivita', che è la quantità di tempo necessaria affinché l'elemento scenda alla metà del suo valore iniziale.
La stabilità di un isotopo è influenzata dal rapporto tra protoni e neutroni. Dei 339 diversi tipi di elementi che si trovano naturalmente sulla Terra, 254 (circa il 75%) sono stati etichettati come “isotopi stabili” – cioè non soggetti a decadimento. Altri 34 elementi radioattivi hanno un'emivita superiore a 80 milioni di anni e sono esistiti anche dal primo Sistema Solare (da qui il motivo per cui sono chiamati 'elementi primordiali').
Infine, è noto che altri 51 elementi di breve durata si trovano naturalmente, come 'elementi figli' (cioè sottoprodotti nucleari) del decadimento di altri elementi (come il radio dall'uranio). Inoltre, elementi radioattivi di breve durata possono essere il risultato di processi energetici naturali sulla Terra, come il bombardamento di raggi cosmici (ad esempio, carbonio-14, che si verifica nella nostra atmosfera).
Storia dello studio:
I primi esempi conosciuti di teoria atomica provengono dall'antica Grecia e dall'India, dove filosofi come Democrito postularono che tutta la materia fosse composta da unità minuscole, indivisibili e indistruttibili. Il termine “atomo” fu coniato nell'antica Grecia e diede origine alla scuola di pensiero nota come “atomismo”. Tuttavia, questa teoria era più un concetto filosofico che scientifico.
Vari atomi e molecole come raffigurati in A New System of Chemical Philosophy di John Dalton (1808). Credito: dominio pubblico
Non è stato fino al 19° secolo che la teoria degli atomi si è articolata come materia scientifica, con i primi esperimenti basati sull'evidenza. Ad esempio, all'inizio del 1800, lo scienziato inglese John Dalton usò il concetto di atomo per spiegare perché gli elementi chimici reagivano in determinati modi osservabili e prevedibili.
Dalton iniziò con la domanda sul perché gli elementi reagissero in rapporti di piccoli numeri interi e concluse che queste reazioni si verificavano in multipli interi di unità discrete, in altre parole atomi. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono i gas, Dalton ha continuato a sviluppare ciò che è noto come La teoria atomica di Dalton , che rimane uno dei capisaldi della fisica e della chimica moderne.
La teoria si riduce a cinque premesse: gli elementi, allo stato più puro, sono costituiti da particelle chiamate atomi; gli atomi di un determinato elemento sono tutti uguali, fino all'ultimo atomo; gli atomi di elementi diversi possono essere distinti dai loro pesi atomici; gli atomi degli elementi si uniscono per formare composti chimici; gli atomi non possono essere né creati né distrutti in una reazione chimica, cambia solo il raggruppamento.
Alla fine del XIX secolo, gli scienziati iniziarono a teorizzare che l'atomo fosse composto da più di un'unità fondamentale. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati ha azzardato che questa unità avrebbe le dimensioni del più piccolo atomo conosciuto: l'idrogeno. E poi nel 1897, attraverso una serie di esperimenti con raggi catodici, il fisico J.J. Thompson annunciò di aver scoperto un'unità 1000 volte più piccola e 1800 volte più leggera di un atomo di idrogeno.
Il modello Plum Pudding dell'atomo proposto da John Dalton. Credito: britannica.com
I suoi esperimenti hanno anche mostrato che erano identiche alle particelle emesse dall'effetto fotoelettrico e dai materiali radioattivi. Esperimenti successivi hanno rivelato che questa particella trasportava corrente elettrica attraverso fili metallici e cariche elettriche negative all'interno degli atomi. Ecco perché la particella - che originariamente era chiamata 'corpuscolo' - fu successivamente cambiata in 'elettrone', dopo la particella prevista da George Johnstone Stoney nel 1874.
Tuttavia, Thomson ipotizzò anche che gli elettroni fossero distribuiti in tutto l'atomo, che era un mare uniforme di carica positiva. Questo divenne noto come il 'modello del budino di prugne', che in seguito sarebbe stato smentito. Ciò avvenne nel 1909, quando i fisici Hans Gieger ed Ernest Marsden (sotto la direzione di Ernest Rutherfod) condussero il loro esperimento utilizzando fogli di metallo e particelle alfa.
Coerentemente con il modello atomico di Dalton, credevano che le particelle alfa sarebbero passate direttamente attraverso la lamina con una piccola deflessione. Tuttavia, molte delle particelle sono state deviate ad angoli maggiori di 90°. Per spiegare questo, Rutherford ha proposto che la carica positiva dell'atomo sia concentrata in un minuscolo nucleo al centro.
Nel 1913, il fisico Niels Bohr propose un modello in cui gli elettroni orbitano attorno al nucleo, ma potevano farlo solo in un insieme finito di orbite. Propose anche che gli elettroni potessero saltare tra le orbite, ma solo in discreti cambiamenti di energia corrispondenti all'assorbimento o alla radiazione di un fotone. Questo non solo raffinò il modello proposto da Rutherford, ma diede anche origine al concetto di atomo quantizzato, in cui la materia si comportava in pacchetti discreti.
L'esperimento della lamina d'oro condotto da Geiger, Marsden e Rutherford. Credito: glogster.com
Lo sviluppo dello spettrometro di massa, che utilizza un magnete per piegare la traiettoria di un fascio di ioni, ha consentito di misurare la massa degli atomi con maggiore precisione. Il chimico Francis William Aston ha usato questo strumento per dimostrare che gli isotopi avevano masse diverse. Questo a sua volta fu seguito dal fisico James Chadwick, che nel 1932 propose il neutrone come un modo per spiegare l'esistenza degli isotopi.
All'inizio del XX secolo, la natura quantistica degli atomi è stata ulteriormente sviluppata. Nel 1922, i fisici tedeschi Otto Stern e Walther Gerlach condussero un esperimento in cui un raggio di atomi d'argento era diretto attraverso un campo magnetico, che aveva lo scopo di dividere il raggio tra la direzione del momento angolare degli atomi (o spin).
Conosciuto come il Stern – Esperimento Gerlach , il risultato è stato che il raggio si è diviso in due parti, a seconda che lo spin degli atomi fosse orientato verso l'alto o verso il basso. Nel 1926, il fisico Erwin Schrodinger utilizzò l'idea che le particelle si comportassero come onde per sviluppare un modello matematico che descrivesse gli elettroni come forme d'onda tridimensionali piuttosto che semplici particelle.
Una conseguenza dell'uso delle forme d'onda per descrivere le particelle è che è matematicamente impossibile ottenere valori precisi sia per la posizione che per la quantità di moto di una particella in un dato momento. Nello stesso anno Werner Heisenberg formulò questo problema e lo chiamò 'principio di incertezza'. Secondo Heisenberg, per una data misurazione accurata della posizione, si può ottenere solo un intervallo di valori probabili per la quantità di moto, e viceversa.
Fissione nucleare, dove un atomo di uranio 92 viene diviso da un neutrone libero per produrre bario e cripton. Credito: physics.stackexchange.com
Negli anni '30 i fisici scoprirono la fissione nucleare, grazie agli esperimenti di Otto Hahn, Lise Meitner e Otto Frisch. Gli esperimenti di Hahn prevedevano di dirigere i neutroni sugli atomi di uranio nella speranza di creare un elemento transuranico. Invece, il processo ha trasformato il suo campione di uranio-92 (Ur92) in due nuovi elementi – bario (B56) e cripto (Kr27).
Meitner e Frisch verificarono l'esperimento e lo attribuirono alla scissione degli atomi di uranio per formare due elementi con lo stesso peso atomico totale, processo che liberava anche una notevole quantità di energia rompendo i legami atomici. Negli anni che seguirono, iniziarono le ricerche sulla possibile armamento di questo processo (cioè le armi nucleari) e portarono alla costruzione delle prime bombe atomiche negli Stati Uniti entro il 1945.
Negli anni '50, lo sviluppo di acceleratori di particelle e rilevatori di particelle migliorati ha permesso agli scienziati di studiare gli impatti degli atomi che si muovono ad alte energie. Da questo è stato sviluppato il Modello Standard della fisica delle particelle, che finora ha spiegato con successo le proprietà del nucleo, l'esistenza di particelle subatomiche teorizzate e le forze che governano le loro interazioni.
Esperimenti moderni:
Dalla seconda metà del XX secolo, molte nuove ed entusiasmanti scoperte hanno riguardato la teoria atomica e la meccanica quantistica. Ad esempio, nel 2012, la lunga ricerca del Bosone di Higgs ha portato a una svolta in cui i ricercatori che lavorano presso il Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera ha annunciato la sua scoperta.
Il Large Hadron Collider (LHC) presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN). Credito: home.cern
Negli ultimi decenni, i fisici hanno dedicato molto tempo ed energie allo sviluppo di una teoria di campo unificata (nota anche come Teoria della Grande Unificazione o Teoria del Tutto ). In sostanza, da quando è stato proposto per la prima volta il Modello Standard, gli scienziati hanno cercato di capire come lavorano insieme le quattro forze fondamentali dell'universo (gravità, forze nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo).
Considerando che la gravità può essere compresa usando Le teorie della relatività di Einstein , e le forze nucleari e l'elettromagnetismo possono essere comprese usando teoria dei quanti , nessuna delle due teorie può spiegare che tutte e quattro le forze lavorano insieme. I tentativi di risolvere questo problema hanno portato a una serie di teorie proposte nel corso degli anni, che vanno da Teoria delle stringhe a Gravità quantistica ad anello . Ad oggi, nessuna di queste teorie ha portato a una svolta.
La nostra comprensione dell'atomo ha fatto molta strada, dai modelli classici che lo vedevano come un solido inerte che interagiva meccanicamente con altri atomi, alle teorie moderne in cui gli atomi sono composti da particelle energetiche che si comportano in modo imprevedibile. Sebbene siano occorse diverse migliaia di anni, la nostra conoscenza della struttura fondamentale di tutta la materia è notevolmente avanzata.
Eppure, rimangono molti misteri che devono ancora essere risolti. Con il tempo e gli sforzi continui, potremmo finalmente svelare gli ultimi segreti rimasti dell'atomo. Poi di nuovo, potrebbe benissimo essere che qualsiasi nuova scoperta che facciamo darà solo luogo a più domande - e potrebbero essere ancora più sconcertanti di quelle che sono venute prima!
Abbiamo scritto molti articoli sull'atomo per Universe Today. Ecco un articolo su Il modello atomico di John Dalton , Il modello atomico di Neils Bohr , Chi era Democrito?, e Quanti atomi ci sono nell'universo?
Se desideri maggiori informazioni sull'atomo, dai un'occhiata Articolo della NASA sull'analisi di piccoli campioni , ed ecco un link a Articolo della NASA su atomi, elementi e isotopi .
Abbiamo anche registrato un intero episodio di Astronomy Cast tutto sull'Atomo. Ascolta qui, Episodio 164: Dentro l'atomo , Episodio 263: Decadimento radioattivo , e Episodio 394: Il modello standard, i bosoni .