Atomo: un viaggio nel cuore della materia

L’atomo è una delle entità fondamentali della materia, una struttura così piccola e complessa che ha sfidato gli studi degli scienziati per secoli. Nel corso del tempo, la sua comprensione  è progredita notevolmente grazie ai continui sviluppi della fisica e alla scoperta di nuove tecnologie.

La teoria atomica moderna è stata sviluppata nel corso del XIX e XX secolo, ma le prime intuizioni sulla sua esistenza risalgono ai tempi dell’antica Grecia. Filosofi come Democrito e Leucippo ipotizzarono l’esistenza di particelle indivisibili chiamate atomi, dal termine greco che significa indivisibile.

Questi filosofi detti atomisti appartenevano alla scuola di pensiero filosofico-scientifica che si è sviluppata nell’antica Grecia, in particolare nel V secolo a.C.

Essi sostenevano l’idea che il mondo fosse composto da particelle indivisibili chiamate atomi che costituivano la materia.  Credevano che gli atomi fossero in costante movimento nello spazio vuoto e che le diverse combinazioni determinassero le proprietà e i fenomeni osservati nella natura. Gli atomi differivano tra loro per forma, dimensione e posizione nello spazio, e la loro combinazione in varie quantità e modi dava origine alla diversità delle sostanze e degli oggetti che osserviamo nel mondo.

Gli atomisti contribuirono in modo significativo alla nascita della teoria atomica, anticipando concetti che sarebbero stati successivamente sviluppati da scienziati come John Dalton. Tuttavia, le loro teorie non erano basate su prove empiriche o sperimentali, ma principalmente su ragionamenti filosofici. Nonostante ciò, le loro idee gettarono le basi per lo sviluppo futuro della scienza e della fisica atomica.

La  teoria atomica degli atomisti cadde in discredito dopo l’ascesa del pensiero aristotelico, che negava l’esistenza degli atomi. La teoria atomica fu poi ripresa e sviluppata nel corso dei secoli successivi, fino a raggiungere il suo pieno sviluppo nel XX secolo con le scoperte di scienziati come Thomson, Rutherford, Bohr.

Il modello atomico di Bohr proposto nel 1913 è una teoria rivoluzionaria che si basava sullo spettro a righe dell’atomo di idrogeno. Il fisico danese Niels Bohr nell’ambito delle sue ricerche scientifiche riuscì a spiegare lo spettro atomico dell’idrogeno e per il suo contributo alla comprensione della struttura atomica ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1922.

Il modello atomico di Bohr, in cui si introduce il concetto di quantizzazione dell’energia e si basa su quattro postulati, univa le conoscenze della fisica classica con quelle della fisica quantistica.

L’atomo: da Bohr ai giorni nostri

Dopo il modello atomico proposto da Niels Bohr, sono state sviluppate altre teorie e modelli atomici che migliorano la comprensione della struttura e del comportamento dell’atomo.

Wolfgang Pauli, nel 1925, introdusse il principio di esclusione di Pauli, secondo il quale nessun elettrone può occupare lo stesso stato quantico simultaneamente. Questo principio aiuta a spiegare la stabilità degli atomi e la disposizione degli elettroni negli orbitali atomici.

Basandosi sul principio di esclusione di Pauli, il modello dell’orbitale atomico, sviluppato principalmente da Erwin Schrödinger nel 1926, descrive gli elettroni come onde di probabilità che si estendono intorno al nucleo atomico. Gli orbitali atomici indicano le regioni in cui è probabile trovare gli elettroni con una determinata energia.

Werner Heisenberg, nel 1927, formulò il principio di indeterminazione, secondo il quale è impossibile determinare simultaneamente con precisione la posizione e la quantità di moto di una particella. Questo principio sottolinea il carattere probabilistico del comportamento delle particelle subatomiche.

Atomo e particelle subatomiche

Le particelle subatomiche contenute nell’atomo sono particelle di massa inferiore a quella di un atomo che sono state scoperte e studiate nel corso del tempo. Le principali particelle subatomiche sono i protoni, i neutroni e gli elettroni.

I protoni scoperti da Eugen Goldstein nel 1885 sono particelle con carica positiva che si trovano nel nucleo atomico. Il valore della carica elettrica del protone è uguale a quello dell’elettrone, ma di segno opposto (1.602·10⁻¹⁹ C) Il numero di protoni in un atomo determina l’elemento chimico a cui appartiene e il suo numero atomico.

Gli elettroni scoperti da Joseph John Thomson nel 1897 sono particelle con carica negativa che orbitano attorno al nucleo atomico in gusci o livelli energetici. Hanno una massa molto inferiore rispetto ai protoni e ai neutroni. Gli elettroni sono responsabili delle proprietà chimiche degli atomi e delle loro interazioni con gli altri atomi.

I neutroni scoperti da James Chadwick nel 1932 sono particelle prive di carica che si trovano anche nel nucleo atomico insieme ai protoni. Hanno una massa leggermente superiore a quella dei protoni. La presenza dei neutroni contribuisce a stabilizzare il nucleo atomico, mantenendo una forza di attrazione tra i protoni.

Oltre a queste tre particelle subatomiche fondamentali, la fisica delle particelle ha rivelato l’esistenza di altre particelle subatomiche come il positrone, chiamato anche antielettrone, scoperti nei raggi cosmici da Carl Anderson nel 1932. È la prima delle antiparticelle scoperte che ha carica elettrica +e, uguale e opposta a quella dell’elettrone, lo stesso spin 1/2 e la stessa massa.

I quark sono particelle ancora più piccole che costituiscono i protoni e i neutroni. Esistono sei tipi di quark: up, down, charm, strange, top e bottom. I protoni e i neutroni sono composti da una combinazione di quark.

I leptoni sono particelle elementari che includono l’elettrone, il muone, il tau e i loro rispettivi neutrini. Gli elettroni sono leptoni stabili che si trovano negli atomi, mentre gli altri leptoni hanno una vita breve e si producono in collisioni ad alta energia.

I bosoni sono particelle che trasmettono le forze fondamentali della natura. Ad esempio, il fotone è il bosone responsabile della trasmissione della forza elettromagnetica, mentre i bosoni W e Z sono coinvolti nella trasmissione della forza nucleare debole.

Lo studio di queste subparticelle atomiche è stato effettuato attraverso esperimenti di fisica delle particelle utilizzando acceleratori di particelle e altre tecniche sperimentali avanzate. La comprensione delle subparticelle atomiche e delle loro interazioni ha portato a importanti scoperte e teorie nel campo della fisica delle particelle, contribuendo alla nostra conoscenza della struttura fondamentale dell’universo.