sabato 27 dicembre 2014

L'atomo spiegato a mia nonna!

Dopo aver esplorato le meraviglie sorprendenti della relatività einsteiniana, parliamo di atomo!
Cara nonna, tutto ciò che ci circonda è costituito da atomi.
Sì, certo, tu non puoi vederli con i tuoi occhi, ma se immaginassi di possedere un microscopio tanto sofisticato da poter guardare il mondo ad una scala di grandezza molto più piccola di quella delle cellule e dei microbi, allora potresti guardare quelli che una volta venivano considerati i mattoncini fondamentali dell'Universo: gli atomi appunto.
Il termine atomo deriva dal greco "à-tomos", che significa letteralmente "indivisibile".
E sì, quando l'idea dell'atomo è comparsa per la prima volta nella mente di un essere umano, questi minuscoli oggetti erano considerati come qualcosa di fondamentale e assolutamente non divisibile.
Mi riferisco a tempi molto ma molto più remoti di quelli in cui sei nata tu: dobbiamo infatti tornare indietro almeno ai tempi dell'antica Grecia per trovare gli albori della nozione di atomo.
La nascita della teoria atomica viene generalmente attribuita a Leucippo di Mileto e al suo discepolo Democrito di Abdera, filosofi del V secolo a.C.
È stupefacente solo pensare che un concetto la cui esistenza è stata effettivamente dimostrata sperimentalmente solo nel 1908 da Jean-Baptiste Perrin, sulla base delle idee di Einstein (sempre in mezzo come il prezzemolo!), risalga a millenni prima!
Attenzione però: l'atomo esiste, ma l'atomo scoperto dai fisici del XX secolo non è l'atomo degli antichi greci.
Si è infatti riscontrato che l'atomo ha un nucleo e delle minuscole particelle che gli girano attorno: gli elettroni.
Dunque l'atomo è sicuramente divisibile in componenti più piccole e tutte molto importanti.
Allo stesso tempo, tuttavia, non bisogna nemmeno pensare che l'atomo sia un oggetto pieno di roba; non lo è affatto!
Con l'eccezione del nucleo e degli elettroni, l'atomo in sostanza è fatto di vuoto per il 99% circa.
AH!
Se hai presente il Sistema Solare nonna, con i pianeti (incluso il nostro) che ruotano attorno a una comunissima stella che chiamiamo Sole, allora non è difficile immaginarsi, per sommi capi, com'è fatto un atomo.

Però la questione degli elettroni che girano attorno al nucleo è un tantino più complessa di quella dei pianeti orbitanti intorno al Sole.
Gli elettroni seguono infatti i principi di quella teoria nota come meccanica quantistica.
La meccanica quantistica, assieme alla relatività generale, è la più importante teoria fisica sviluppata nel XX secolo.
Se la relatività ti è sembrata sorprendente e fuori dalla realtà, la meccanica quantistica ti potrà apparire come un'idea uscita dai cervelli di malati di mente, ma in realtà, per quanto paradossale sia, è la teoria della fisica con maggiori conferme sperimentali a suo favore.
Pensa che per la meccanica dei quanti un gatto può essere vivo e morto allo stesso tempo!


COSA??? Che diavolo stai dicendo nipote mio? Che hai bevuto?
La reazione è sempre la stessa per tutti quanti apprendano per la prima volta questo fatto: incredulità.
Non vorrei divagare troppo, ti dico solo che questo è un paradosso ideato nel 1935 da un certo fisico austriaco di nome Erwin Schrödinger, che un giorno, per dimostrare quanto fosse assurda la realtà immaginata da Niels Bohr e compari (la cosiddetta interpretazione di Copenaghen), immaginò un gatto dentro una scatola con all'interno un certo meccanismo che poteva o meno portarlo alla morte.
Prima di aprire la scatola, per l'interpretazione classica della meccanica quantistica, il gatto si trova appunto in una sorta di limbo: è vivo e morto simultaneamente!
Ecco questo esempio, ormai noto anche alle persone che non si occupano di fisica grazie alle citazioni in svariati film e telefilm, mi è servito per farti comprendere che quando si scende nel mondo della teoria dei quanti, ossia il mondo degli atomi e dell'infinitamente piccolo, tutte le nostre comuni intuizioni devono essere gettate via e bisogna prepararsi a guardare la natura con "occhi diversi"!
Esploriamo meglio la struttura dell'atomo.
Al centro c'è il nucleo, però questo nucleo è suddivisibile in particelle più piccole: i protoni e i neutroni.
Le stesse denominazioni dovrebbero farti intuire quali siano le peculiarità di queste particelle: i protoni presentano una carica elettrica positiva (opposta a quella degli elettroni, che è negativa) e i neutroni invece non presentano una carica.
Cosa significa?
Che se avvicinassi un protone e un elettrone, questi tenderebbero ad attirarsi possedendo cariche opposte, invece se avvicinassi due protoni (o analogamente 2 elettroni), quindi 2 particelle di identica carica elettrica, essi tenderebbero a manifestare una reazione repulsiva.
E allora giustamente mi starai per chiedere: perché se il nucleo è fatto di protoni, questi rimangono là attaccati insieme ai neutroni, non assecondando la naturale repulsione elettrostatica?
Inoltre, perché gli elettroni, pur avendo carica elettrica opposta rispetto ai protoni, non cadono nel nucleo?
Sono domande giuste ed interessanti, che hanno rappresentato dei bei rompicapi per gli scienziati interessati alla struttura dell'atomo.
Per quanto riguarda la prima questione, quella dei protoni attaccati insieme nel nucleo, è sì vero che esiste una naturale repulsione elettrostatica che dovrebbe allontanare ciascun protone dai suoi simili, tuttavia la natura ha fornito all'atomo una sorta di "collante" più forte di tale repulsione: l'interazione (o forza) nucleare forte.
Così come tramite una dose di colla si riesce ad attaccare una foto su un quaderno o a riparare un oggetto frantumato in più pezzi, allo stesso modo l'interazione nucleare forte riesce a tenere attaccati i vari protoni (assieme ai neutroni) nel nucleo atomico.
L'interazione nucleare forte non per nulla è la forza più potente dell'Universo!
Si aggiudica infatti senza dubbio il primo premio tra le 4 forze fondamentali della natura: la gravità, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte.


Ritieni che la gravità sia forte?
La gravità ha un effetto gigantesco solamente in presenza di grandi masse!
Se confrontata all'interazione nucleare forte, la gravità è come una formica di fronte a un dinosauro!
Infatti, l'interazione nucleare forte è circa 1038 più forte della gravità, cioè sussiste una differenza pari a 1 seguito da 38 zeri, un valore assurdamente elevato!
Esistono delle apposite particelle che svolgono il ruolo di mediatori dell'interazione nucleare forte: non a caso vengono chiamate gluoni, da glue che in inglese significa "colla".
Una combinazione di gluoni viene poi definita glueball, letteralmente "palla di colla".
Lo "zoo" di particelle che vanno a formare un atomo non finisce mica qui!
Immagina, cara nonna, di aggiornare il tuo già potentissimo microscopio e di poter così osservare la struttura intima di quelle particelle già piccolissime che sono protoni e neutroni.
Al loro interno troverai particelle persino più minuscole: i quark.


Ecco, se ti fossi mai domandata da cosa derivava il nome "Superquark" della celebre trasmissione televisiva, adesso lo sai.
Prendiamoci una breve pausa con quella composizione rappresentante la sigla della trasmissione che ho appena citato, cioè l'Aria sulla Quarta Corda di Johann Sebastian Bach, in tal caso eseguita dai Klazz Brothers:


I quark possono presentarsi in svariate tipologie, ma quelle che compongono protoni e neutroni sono soltanto 2: quark up e quark down.
Un protone è il risultato della combinazione di 2 quark up e 1 down, mentre il neutrone è costituito da 2 quark down e solo 1 up.
A questo punto sarebbe lecito chiedersi se ci si può spingere persino oltre, immaginando particelle ancora più piccole che compongano i quark.
La risposta è sì e no!
EH?
Sarò più preciso: il Modello Standard delle particelle prevede che i quark siano particelle elementari, alla stregua dell'elettrone, ossia non più divisibili, un po' come gli atomi di Democrito.
Quindi secondo questo modello la risposta sarebbe no, tuttavia negli ultimi decenni è stata sviluppata una teoria molto affiscinante nota come teoria delle stringhe.
In sostanza, tale teoria prevede che tutte le particelle che compongono l'Universo siano in verità, scavando nel profondo, delle corde vibranti la cui vibrazione va a fornire le peculiarità a ogni singola particella.


La teoria delle stringhe, la quale prevede, pensa un po', un universo a 11 dimensioni, attualmente è però solo una bella ed elegante prospettiva matematica, in quanto, a differenza della meccanica quantistica, non è stata mai verificata per via sperimentale.
E l'elettrone invece? Non dovevi dirmi qualcosa a riguardo?
Giusto! Come dimenticarsi del ruolo dell'elettrone, particella di fondamentale importanza!
L'elettrone è così piccolo da contribuire solamente allo 0,06% circa della massa dell'atomo, ma è quello che più di tutti influenza la natura dell'atomo stesso!
Tutta la chimica si fonda sul ruolo chiave degli elettroni.
Il numero di elettroni (e protoni) presenti in un atomo caratterizza le differenze fondamentali tra gli elementi della tavola periodica e la tua cucina resterebbe sfornita di sale, spezie e di tutti quanti gli alimenti se non ci fossero gli elettroni (e sì, anche i pranzi e le cene natalizie le dobbiamo agli elettroni).
Infatti, nel caso del sale, in chimica noto come cloruro di sodio (NaCl), un atomo di sodio (costituito da 11 protoni e 11 elettroni) non si potrebbe legare a uno di cloro (formato invece da 17 protoni e 17 elettroni) se questi elementi della tavola periodica non si scambiassero elettroni come dei veri amici.
Il sodio regala (non solo a Natale, ma sempre!) un elettrone al cloro, così che entrambi raggiungano quello stato di "relax" noto come ottetto.


Purtroppo è vero, gli atomi pretendono di stare sempre in vacanza attraverso l'ottetto e si devono aiutare fra loro generando così strutture più complesse chiamate molecole.
Ma che significa precisamente ottetto? Non ho ben capito.
Semplicemente che sull'ultimo guscio elettronico l'atomo possiede precisamente 8 elettroni, né uno in più, né uno in meno.
Gusci elettronici? Che diavoleria è questa?
Come ti accennavo poco fa, gli elettroni non si comportano proprio come i pianeti ruotanti intorno al Sole.
Il modello atomico è quantizzato!
In parole povere, gli elettroni possono ruotare attorno al nucleo solo in determinate orbite e con determinati valori dell'energia.
I diversi valori di distanza media dal nucleo atomico a cui le orbite degli elettroni possono trovarsi vanno dunque a definire i cosiddetti gusci elettronici.
L'atomo visto in questa prospettiva potrebbe essere quindi paragonabile a una matrioska di gusci sempre più piccoli.


Ogni atomo può avere un certo numero di gusci elettronici, ma l'ultimo è quello più importante, quello in cui risiedono appunto gli elettroni partecipanti nei legami chimici (elettroni di valenza).
La posizione di un elettrone in un atomo è inoltre probabilistica!
EH?
E sì, un elettrone ha una grossa probabilità (oltre il 90%) di risiedere all'interno di una nuvola elettronica che i fisici e i chimici chiamano orbitale, ma appunto non è sicuro che esso sia presente in quella regione di spazio.
Nonna nel mondo dei quanti devi dimenticare la precisione, il determinismo e abbandonarti al caos probabilistico!
La meccanica dei quanti si basa appunto sul concetto di probabilità, tanto che una volta Einstein esclamò la celebre frase "Dio non gioca a dadi con l'Universo", affermazione a cui Bohr rispose asserendo "Smettila di dire a Dio cosa fare"!
Ma basta divagare, non ti ho ancora chiarito perché gli elettroni non se ne cadono nel nucleo atomico.
Quando l'elettrone (carica negativa) ruota intorno al nucleo (carica positiva), ci sono 2 forze fondamentali che agiscono:

1) forza elettrostica, la quale tende ad attirare l'elettrone verso il nucleo;
2) forza centrifuga, la quale, al contrario, tende ad allontanarlo.

Ora tutto sarebbe apposto, ci sarebbe un certo equilibrio, se la fisica classica non prevedesse un singolare fenomeno: una particella, accelerando, rilascia energia elettromagnetica.
Accelerando l'elettrone perde energia ed è dunque destinato prima o poi a cadere a spirale nel nucleo!
Questo tuttavia non succede se si considera il modello di atomo quantistico.
Infatti, in tal caso, l'energia viene rilasciata solamente quando l'elettrone salta da un'orbita elettronica a un'altra più vicina al nucleo, come illustra questa bella immagine:


Addio pertanto al problema della caduta a spirale nel nucleo!
Mi piacerebbe concludere la spiegazione leggendo un interessante passo, sul poco noto atomismo indiano, tratto dal libro L'atomo e le particelle elementari di Massimo Teodorani:

"Oltre 3 millenni ci separano dal tempo in cui si iniziò a pensare che la materia fosse costituita da particelle indivisibili. L'idea che la materia fosse costituita di mattoni elementari si sviluppò soprattutto in Grecia, in India e nel mondo arabo, in un periodo in cui la fisica ancora non esisteva e dove tutte le conoscenze venivano inglobate in una specie di «filosofia naturale», che al suo interno contemplava anche il cosiddetto "atomismo". Sicuramente la scuola di pensiero più antica si sviluppò tra il 1500 e il 500 a.C. in India. In quel periodo il mondo materiale veniva classificato in 4 elementi fondamentali: la terra, il fuoco, l'aria e l'acqua, a cui se ne aggiungeva un quinto denominato «etere» (dagli indiani denominato «Akasha») dalle caratteristiche marcatamente spirituali. I filosofi dell'antica India ritenevano che tutti i primi 4 elementi, eccetto il quinto, fossero composti di minuscole particelle di materia. Il concetto indiano di atomo si sviluppò indipendentemente da quello ben più noto del mondo greco-romano e molto prima di esso. I primi filosofi indiani che svilupparono queste idee in un quadro sistematico furono Kanada e Pakudha Katyayana, attorno al sesto secolo a.C. Essi erano contemporanei di Budda, il quale tra l'altro aveva sviluppato la sua famosa religione-filosofia proprio in India. I concetti atomistici indiani non erano tanto diversi da quelli sviluppati in Grecia e nacquero e si svilupparono per primi. C'è infatti chi suggerisce che l'atomismo greco si fosse sviluppato in seguito alle possibili visite in India del filosofo greco Pitagora. In India furono soprattutto le scuole Buddiste a occuparsi di atomismo. Un aspetto interessante dell'atomismo indiano era il modo in cui le particelle elementari venivano combinate tra loro. Secondo 2 scuole indiane, in particolare quella Jaina e Vaisesika, gli atomi hanno prima la tendenza a combinarsi in coppie (denominate «diadi») e poi a raggrupparsi in un trio di coppie (denominate «triadi»), che costituirebbero le unità elementari di materia più piccole. L'idea di coppie e triplette è indubbiamente molto interessante, perché - in base alle conoscenze della fisica sub-nucleare di oggi - è esattamente il modo in cui i quark si combinano per formare mesoni, protoni e neutroni. Inoltre l'idea di coppia è normalmente presente nella fisica particellare contemporanea quando si intende il legame che lega particelle di materia a particelle di antimateria...Nelle scuole Buddiste indiane che si svilupparono prima del quarto secolo a.C. le idee atomiste venivano combinate con i principi religiosi di Budda. Sicuramente la scuola filosofica indiana più importante che prese in forte considerazione il concetto di atomismo, fu quella Jaina, che si sviluppò attorno al primo secolo a.C. Il concetto di atomismo indiano, in tutte le sue varianti che si succedettero nel tempo, era molto variegato, sostanzialmente simile a quello greco, ma con qualche peculiarità per quello che riguardava le caratteristiche specifiche degli atomi. Per le scuole indiane, ogni atomo aveva un sapore, un odore, un colore e 2 tipi di sensazione tattile e poteva esistere in 2 tipi di stati, uno sottile, dove essi occuperebbero uno spazio infinitesimale e uno più grossolano, in grado di occupare uno spazio finito. Sembra in effetti un po' la stessa differenza che sussiste tra particelle elementari come il protone o l'elettrone e le molecole che sono composte dagli atomi. I filosofi indiani avevano sviluppato anche teorie che descrivevano come gli atomi potevano combinarsi, reagire, vibrare, muoversi tra loro, teoria che aveva punti in comune con la scienza atomica e chimica dei nostri tempi."

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