L'inizio del XX secolo è stato un periodo molto propizio per le scienze. Oltre a Ernest Rutherford e Niels Bohr che diedero vita al Modello Standard della fisica delle particelle, fu anche un periodo di scoperte nel campo della meccanica quantistica. Grazie agli studi in corso sul comportamento degli elettroni, gli scienziati hanno iniziato a proporre teorie in base alle quali queste particelle elementari si comportavano in modi che sfidavano la fisica classica newtoniana.
Un esempio di questo tipo è l'Electron Cloud Model proposto da Erwin Schrodinger. Grazie a questo modello, gli elettroni non erano più rappresentati come particelle che si muovevano attorno a un nucleo centrale in un'orbita fissa. Invece, Schrodinger ha proposto un modello in base al quale gli scienziati potevano solo fare ipotesi plausibili sulle posizioni degli elettroni. Quindi, le loro posizioni potrebbero essere descritte solo come parte di una 'nube' attorno al nucleo dove è probabile che si trovino gli elettroni.
Fisica atomica al XX secolo:
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. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono i gas, Dalton ha continuato a sviluppare ciò che è noto come La teoria atomica di Dalton .
Questa teoria ampliava le leggi della conversazione della massa e delle proporzioni definite e si riduceva 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.
Scoperta dell'elettrone:
Verso la fine del XIX secolo, gli scienziati iniziarono anche 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. Entro la fine del 19° secolo, il suo sarebbe cambiato drasticamente, grazie a ricerche condotte da scienziati come Sir Joseph John Thomson.
Attraverso una serie di esperimenti che utilizzano tubi a raggi catodici (noti come Tubo di Crookes ), Thomson ha osservato che i raggi catodici possono essere deviati da campi elettrici e magnetici. Concluse che invece di essere composti di luce, erano costituiti da particelle caricate negativamente che erano 1ooo volte più piccole e 1800 volte più leggere dell'idrogeno.
Il modello Plum Pudding dell'atomo proposto da John Dalton. Credito: britannica.com
Questo confutò efficacemente l'idea che l'atomo di idrogeno fosse l'unità più piccola della materia, e Thompson andò oltre suggerendo che gli atomi fossero divisibili. Per spiegare la carica complessiva dell'atomo, che consisteva di cariche positive e negative, Thompson ha proposto un modello in cui i 'corpuscoli' caricati negativamente sono stati distribuiti in un mare uniforme di carica positiva - noto come il Modello di budino di prugne .
Questi corpuscoli sarebbero stati poi chiamati “elettroni”, sulla base della particella teorica prevista dal fisico anglo-irlandese George Johnstone Stoney nel 1874. E da questo nacque il Plum Pudding Model, così chiamato perché somigliava molto al deserto inglese che consiste in plum cake e uvetta. Il concetto è stato presentato al mondo nell'edizione di marzo 1904 del Regno Unito's Rivista filosofica ,a larghi consensi.
Sviluppo del modello standard:
Esperimenti successivi hanno rivelato una serie di problemi scientifici con il modello Plum Pudding. Per cominciare, c'era il problema di dimostrare che l'atomo possedeva una carica di fondo positiva uniforme, che divenne noto come il 'problema Thomson'. Cinque anni dopo, il modello sarebbe stato smentito da Hans Geiger ed Ernest Marsden, che condussero una serie di esperimenti utilizzando particelle alfa e lamina d'oro. il ' esperimento di lamina d'oro . '
In questo esperimento, Geiger e Marsden hanno misurato il modello di dispersione delle particelle alfa con uno schermo fluorescente. Se il modello di Thomson fosse corretto, le particelle alfa passerebbero attraverso la struttura atomica della lamina senza impedimenti. Tuttavia, hanno notato invece che mentre la maggior parte ha sparato dritto, alcuni di loro sono stati sparsi in varie direzioni, con alcuni che tornano nella direzione della fonte.
Una rappresentazione della struttura atomica dell'atomo di elio. Credito: Creative Commons
Geiger e Marsden conclusero che le particelle avevano incontrato una forza elettrostatica molto maggiore di quella consentita dal modello di Thomson. Poiché le particelle alfa sono solo nuclei di elio (che sono carichi positivamente), ciò implicava che la carica positiva nell'atomo non fosse ampiamente dispersa, ma concentrata in un volume minuscolo. Inoltre, il fatto che le particelle non deviate passassero senza impedimenti significava che questi spazi positivi erano separati da vasti abissi di spazio vuoto.
Nel 1911, il fisico Ernest Rutherford interpretò gli esperimenti di Geiger-Marsden e rifiutò il modello dell'atomo di Thomson. Invece, ha proposto un modello in cui l'atomo era costituito per lo più da uno spazio vuoto, con tutta la sua carica positiva concentrata al centro in un volume molto piccolo, circondato da una nuvola di elettroni. Questo divenne noto come il Modello Rutherford dell'atomo.
Successivi esperimenti di Antonius Van den Broek e Niels Bohr perfezionarono ulteriormente il modello. Mentre Van den Broek ha suggerito che il numero atomico di un elemento è molto simile alla sua carica nucleare, quest'ultimo ha proposto un modello dell'atomo simile al Sistema Solare, in cui un nucleo contiene il numero atomico di carica positiva ed è circondato da un uguale numero di elettroni nei gusci orbitali (aka. the Modello Bohr ).
Il modello della nuvola elettronica:
Durante gli anni '20, il fisico austriaco Erwin Schrodinger rimase affascinato dalle teorie Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld e altri fisici. Durante questo periodo, fu anche coinvolto nei campi della teoria atomica e degli spettri, facendo ricerche all'Università di Zurigo e poi all'Università Friedrich Wilhelm di Berlino (dove successe a Planck nel 1927).
Concetto artistico del modello Electron Cloud, che descriveva la probabile posizione degli orbitali elettronici nel tempo. Credito: Pearson Prentice Hall
Nel 1926, Schrödinger affrontò il problema delle funzioni d'onda e degli elettroni in una serie di articoli. Oltre a descrivere quella che sarebbe diventata nota come l'equazione di Schrodinger - un'equazione differenziale parziale che descrive come lo stato quantistico di un sistema quantistico cambia nel tempo - ha anche usato equazioni matematiche per descrivere la probabilità di trovare un elettrone in una certa posizione .
Questa divenne la base di quello che sarebbe diventato noto come il modello della nuvola di elettroni (o meccanica quantistica), così come l'equazione di Schrodinger. Basato sulla teoria quantistica, che afferma che tutta la materia ha proprietà associate a una funzione d'onda, il modello della nuvola di elettroni differisce dal modello di Bohr in quanto non definisce il percorso esatto di un elettrone.
Invece, predice la probabile posizione della posizione dell'elettrone in base a una funzione di probabilità. La funzione di probabilità descrive fondamentalmente una regione simile a una nuvola in cui è probabile che si trovi l'elettrone, da cui il nome. Dove la nuvola è più densa, la probabilità di trovare l'elettrone è maggiore; e dove è meno probabile che si trovi l'elettrone, la nuvola è meno densa.
Queste regioni dense sono conosciute come 'orbitali elettronici', poiché sono la posizione più probabile in cui verrà trovato un elettrone orbitante. Estendendo questo modello 'nuvola' in uno spazio tridimensionale, vediamo un bilanciere o un atomo a forma di fiore (come nell'immagine in alto). Qui, le regioni ramificate sono quelle in cui è più probabile trovare gli elettroni.
Grazie al lavoro di Schrodinger, gli scienziati hanno iniziato a capire che nel regno della meccanica quantistica era impossibile conoscere contemporaneamente la posizione esatta e la quantità di moto di un elettrone. Indipendentemente da ciò che l'osservatore sa inizialmente di una particella, può solo prevederne la posizione o il momento successivo in termini di probabilità.
In nessun momento saranno in grado di accertare nessuno dei due. Infatti, più conoscono la quantità di moto di una particella, meno sapranno della sua posizione e viceversa. Questo è ciò che è noto oggi come il 'principio di incertezza'.
Si noti che gli orbitali citati nel paragrafo precedente sono formati da un atomo di idrogeno (cioè con un solo elettrone). Quando si tratta di atomi che hanno più elettroni, le regioni orbitali degli elettroni si espandono uniformemente in una sfera sferica sfocata. È qui che il termine 'nuvola elettronica' è più appropriato.
Questo contributo è stato universalmente riconosciuto come uno dei contributi più importanti del XX secolo e che ha innescato una rivoluzione nei campi della fisica, della meccanica quantistica e in effetti di tutte le scienze. Da allora in poi, gli scienziati non lavorarono più in un universo caratterizzato da assoluti di tempo e spazio, ma in incertezze quantistiche e relatività tempo-spazio!
Abbiamo scritto molti articoli interessanti su atomi e modelli atomici qui su Universe Today. ecco Qual è il modello atomico di John Dalton? , Qual è il modello del budino di prugne? , Qual è il modello atomico di Bohr? , Chi era Democrito? , e Quali sono le parti di un atomo?
Per ulteriori informazioni, assicurati di controllare Che cos'è la meccanica quantistica? da Live Science.
Astronomy Cast ha anche un episodio sull'argomento, come Episodio 130: Radioastronomia , Episodio 138: Meccanica Quantistica , e Episodio 252: Principio di incertezza di Heisenberg