Come abbiamo capito che gli atomi esistono?

Paul M. Sutter è un astrofisico della Ohio State University, ospite di “Ask a Spaceman” e “Space Radio”, e autore di “Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter ha contribuito con questo articolo alle Voci esperte di Space.com: Op-Ed & Insights.

Nel 1808, il chimico John Dalton sviluppò un argomento molto convincente che portò ad una realizzazione sorprendente: Forse tutta la materia (cioè la roba, le cose, gli oggetti) è fatta di piccoli bit. Bit fondamentali. Bit indivisibili. Bit atomici. Atomi.

Il concetto è rimasto in circolazione per alcuni millenni. Le culture antiche erano certamente a conoscenza dell’idea generale che la materia fosse composta da più elementi fondamentali (anche se non erano d’accordo su cosa contasse esattamente come elemento) e sapevano che questi elementi si combinavano in modi interessanti e fruttuosi per fare cose complesse, come sedie e birra. Ma attraverso quei millenni, la domanda persisteva: se isolassi un singolo elemento e lo tagliassi a metà, poi taglierei quelle metà a metà, e così via, alla fine troverei un pezzo di elemento più piccolo possibile che non potrei più tagliare? O andrebbe avanti all’infinito?

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Dopo anni di attento esame, Dalton trovò una relazione sorprendente tra gli elementi. A volte, due elementi possono combinarsi per formare vari composti in più modi con rapporti diversi, come possono fare lo stagno e l’ossigeno. Ma le proporzioni di ogni elemento nelle varie combinazioni si riducevano sempre a numeri molto piccoli. Se la materia fosse infinitamente divisibile, senza la più piccola parte possibile, allora ogni proporzione dovrebbe essere ammessa.

Invece, trovò che una certa quantità di un elemento poteva combinarsi con una quantità uguale di un altro elemento. O con il doppio o il triplo dell’altro elemento. Dalton trovò solo proporzioni semplici, ovunque, in tutti i casi. Se la materia fosse in ultima analisi indivisibile, se fosse fatta di atomi, allora solo proporzioni e rapporti semplici sarebbero consentiti quando si combinano gli elementi.

Masse in tensione

Cento anni dopo, questa teoria “atomica” della materia non sembrava completamente insensata. Una delle cose più impegnative, tuttavia, era che se gli atomi esistevano davvero, erano molto, molto più piccoli da vedere. Come si poteva provare l’esistenza di qualcosa che non si poteva osservare direttamente?

Un indizio dell’esistenza degli atomi venne dai nuovi studi della termodinamica. Per capire come funzionavano i motori termici – insieme a tutti i concetti connessi come temperatura, pressione ed entropia – i fisici si resero conto che potevano vedere i gas e i fluidi come se fossero composti da una quantità quasi infinita di particelle minuscole, anche microscopiche. Per esempio, la “temperatura” in realtà misura il movimento medio di tutte quelle particelle di gas che colpiscono il termometro, trasferendovi la loro energia.

Questo era piuttosto convincente, e Albert Einstein era un grande fan di questo tipo di fisica. Proprio come tutte le altre fisiche di cui divenne fan, Einstein le rivoluzionò.

Era interessato, in particolare, al problema del moto browniano, descritto per la prima volta nel lontano 1827 da Robert Brown (da cui il nome). Se si lascia cadere un grosso granello all’interno di un fluido, l’oggetto tende a dimenarsi e a saltellare completamente da solo. E dopo alcuni esperimenti eseguiti con cura, Brown si rese conto che questo non ha nulla a che fare con le correnti d’aria o di fluido.

Il moto browniano era solo uno di quei fatti casuali inspiegabili della vita, ma Einstein vide in questo un indizio. Trattando il fluido come qualcosa composto da atomi, fu in grado di ricavare una formula per quanto le innumerevoli collisioni delle particelle del fluido avrebbero spostato quel grano. E ponendo questa connessione su un solido terreno matematico, fu in grado di fornire un percorso per passare da qualcosa che si può vedere (quanto il grano si muove in un dato lasso di tempo) a qualcosa che non si può vedere (la massa delle particelle del fluido).

In altre parole, Einstein ci ha dato un modo per pesare un atomo.

Questi “stati uniti”

E proprio quando le persone si stavano abituando alle dimensioni di questi minuscoli pezzi di materia, pensando che dovessero essere le cose più piccole possibili, arrivò qualcuno a complicare la cosa.

Operava in parallelo con Einstein uno sperimentatore meravigliosamente dotato di nome J.J. Thomson. Alla fine del 1800, si appassionò a fantomatici fasci di luce conosciuti come raggi catodici. Se si attaccano un paio di elettrodi all’interno di un tubo di vetro, si aspira tutta l’aria dal tubo, poi si alza la tensione sugli elettrodi, si ottiene un bagliore effervescente che sembra emanare da uno degli elettrodi, il catodo, per essere esatti. Da qui, i raggi catodici.

Questo fenomeno ha sollevato domande per i fisici. Cosa faceva il bagliore? Come erano collegate le cariche – che, all’epoca, erano note per essere legate al concetto di elettricità ma altrimenti misteriose – a quel bagliore? Thomson ha decifrato il codice a) costruendo il miglior tubo a vuoto che ci sia mai stato e b) spingendo l’intero apparato all’interno di campi elettrici e magnetici molto forti. Se le cariche erano in qualche modo coinvolte in questo affare dei raggi catodici, allora è meglio credere che avrebbero ascoltato quei campi.

E l’hanno fatto. Il raggio catodico si piegava sotto l’influenza dei campi elettrici e magnetici. Affascinante! Ciò significava che la parte incandescente era collegata alle cariche stesse; se la luce fosse stata in qualche modo separata dalle cariche, allora sarebbe passata direttamente attraverso, indipendentemente dall’interferenza del campo. E significava anche che i raggi catodici erano fatti della stessa materia dell’elettricità.

Confrontando la quantità di deflessione dei raggi nei campi elettrici rispetto ai campi magnetici, Thomson poteva ricavare alcuni calcoli e calcolare alcune proprietà di queste cariche. Ed è qui che J.J. ha guadagnato il suo premio Nobel: Questi “corpuscoli” (parola sua) erano circa 2.000 volte più piccoli dell’idrogeno, l’elemento più leggero conosciuto e quindi l’atomo più piccolo. Questi “elettroni” (parola di tutti gli altri) erano davvero notevoli.

Argento e oro

Si trattava della generazione successiva di scienziati per risolvere gli enigmi sollevati dai risultati di Thomson. Il più importante: Come può qualcosa essere più piccolo di un atomo, e cosa significa questo per la struttura degli atomi stessi?

Fu l’ex studente di Thomson, Ernest Rutherford, insieme ai suoi stessi studenti Hans Geiger ed Ernest Marsden, a decidere di sparare cose all’oro per vedere cosa sarebbe successo. Gli scienziati scelsero l’oro perché potevano fare fogli molto sottili di questo materiale, il che significava che la banda poteva stare tranquilla che stavano sondando la fisica atomica. E spararono proiettili molto piccoli: particelle alfa, che sono atomi carichi di elio. Queste particelle sono piccole, pesanti e veloci – i proiettili scientifici perfetti.

Quando i ricercatori si esercitavano al tiro al bersaglio, la maggior parte delle particelle alfa navigavano attraverso l’oro come se fosse carta velina. Ma di tanto in tanto, le particelle si allontanavano in una direzione casuale. E una volta ogni tanto (circa 1 su 20.000 colpi, e sì, gli scienziati hanno contato manualmente), una particella alfa rimbalzava sull’oro, sbattendo indietro da dove era venuta.

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Incredibile! Cosa ci dicevano queste piccole particelle sugli atomi d’oro? L’unica spiegazione che aveva senso, hanno concluso i ricercatori, era che la maggior parte della massa dell’atomo era concentrata in un volume molto piccolo. E questo “nucleo” doveva avere una carica positiva. Poiché la carica totale dell’atomo doveva essere neutra, allora gli elettroni dovevano essere molto molto piccoli e nuotare, orbitando o danzando intorno al nucleo in una nuvola sciolta.

Così, quando le particelle alfa si sono fatte strada, hanno quasi sempre incontrato il semplice spazio vuoto. Ma una particella gravemente sfortunata poteva scagliare via – o peggio, colpire frontalmente – il nucleo, alterando drammaticamente la traiettoria del proiettile.

Così, quasi cento anni dopo che Dalton aveva definitivamente sostenuto l’esistenza dell’atomo indivisibile, e nello stesso momento in cui Einstein stava fornendo un modo per misurare direttamente quegli atomi, Thomson e Rutherford scoprirono che l’atomo non era affatto indivisibile. Invece, era fatto di pezzi ancora più piccoli.

Così, nello stesso momento in cui abbiamo solidificato la teoria atomica, abbiamo avuto il nostro primo assaggio del mondo subatomico. Da lì, è diventato molto più complicato.

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Per saperne di più, ascolta l’episodio “Come abbiamo capito che la roba è fatta di atomi?” sul podcast “Ask a Spaceman”, disponibile su iTunes e sul web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Bill S. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su Twitter @Spacedotcom e su Facebook.