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Un panettone microscopico

di Chiara Zagonel 1 mese fa


Un panettone microscopico

Leggi un capitolo del libro "Storia dei Quanti" di Chiara Zagonel e scopri i raggi catodici, la scoperta dell'elettrone e il modello atomico di Thomson

Analizzando il passaggio della corrente elettrica in un liquido o in un gas si poteva facilmente concludere che, ammesso che esistessero, gli atomi contenevano al loro interno un certo quantitativo di carica elettrica.

Grazie alle leggi trovate da Faraday, si poteva perfino calcolare in modo molto semplice il valore della carica media trasportata. Purtroppo però, da un valore medio non si poteva dedurre che ogni atomo trasportasse la stessa quantità di carica e soprattutto che esistesse una carica elementare di cui una qualsiasi altra carica risultasse multipla.

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Storia dei Quanti

Dall’era pre-quantica al trionfo della non-località

Chiara Zagonel

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Una svolta cruciale avvenne nella seconda metà del Milleottocento quando la tecnologia, soprattutto dell'industria tedesca, permise la costruzione di tubi all'interno dei quali la pressione residua risultava inferiore a un milionesimo di quella atmosferica. Applicando una differenza di potenziale molto elevata a due elettrodi* di platino posti agli estremi dei tubi e fusi con il vetro, si osservò una notevole luminescenza e una zona scura dietro l'anodo (l'elettrodo positivo). Era come se dei raggi scaturissero dal catodo (l'elettrodo negativo) e, dopo aver attraversato il tubo, venissero fermati dall'anodo, formando un'ombra esattamente come avrebbe fatto un raggio luminoso.

Nell'attesa di determinare la loro effettiva natura, vennero chiamati raggi catodici.

La comunità scientifica si divise: c'era chi, come Hertz, sosteneva che fossero onde e chi, come gli inglesi William Crookes (1832-1919) e Joseph John Thomson (1856-1940), pensava che invece non fossero altro che fasci di particelle.

Thomson, chiamato dagli amici e dai collaboratori semplicemente J.J., si era laureato nel 1876 al prestigioso Trinity College di Cambridge, frequentato già da Isaac Newton due secoli prima. Thomson rimase in questa importante e rinomata istituzione accademica per tutta la sua carriera, prima come studente e poi come insegnante, e dal 1884, a soli 28 anni, fu nominato direttore del prestigioso Cavendish Laboratory.

Timido e gentile, con un abbigliamento classico ma vagamente trasandato, inizialmente non aveva ispirato la fiducia dei suoi assistenti di laboratorio, sia a causa della sua giovanissima età ma soprattutto per la goffaggine con cui maneggiava gli strumenti. Tuttavia, nel giro di poco tempo egli dimostrò di possedere delle eccellenti capacità intuitive in campo sperimentale e si guadagnò il rispetto di tutti.

Così, a capo di uno dei più attrezzati laboratori esistenti in Europa, Thomson iniziò a occuparsi dei raggi catodici, allestendo una serie di esperimenti volti a chiarirne la natura. Le sue ricerche culminarono nel 1897 quando riuscì a calcolare il rapporto tra la massa m e la carica q delle particelle catodiche.

Il valore di m/q che Thomson ottenne per queste particelle portò a una conclusione davvero inaspettata.

Ipotizzando infatti che la carica coincidesse con il valore medio ricavabile dalle leggi di Faraday, la massa risultava essere circa 770 volte più piccola di quella del più piccolo atomo conosciuto in natura, vale a dire l'atomo di idrogeno (in realtà, il valore corretto è 1836 volte più piccola).

Di fronte a questo risultato Thomson si trovò costretto a ipotizzare l'esistenza di particelle più piccole degli atomi, ossia particelle subatomiche. Tra l'altro, il rapporto m/q non variava cambiando il materiale di cui erano costituiti gli elettrodi e ciò indicava che le particelle catodiche erano presenti in tutti i tipi di atomi.

Esse furono successivamente chiamate elettroni, un termine che Thomson non utilizzò mai e che era già stato coniato nel 1891 dal fisico irlandese George Johnstone Stoney (1826-1911).

A questo punto, il problema con cui Thomson dovette confrontarsi riguardava una possibile struttura atomica: dove si potevano collocare gli elettroni all'interno degli atomi?

Per rispondere a questo interrogativo Thomson nel 1904 ideò il cosiddetto modello a panettone. Gli elettroni erano proprio come i chicchi di uvetta, distribuiti in uno sfondo di carica positiva che costituiva il panettone, cosicché la neutralità della carica elettrica complessiva dell'atomo veniva garantita.

Inizialmente Thomson pensava che gli elettroni fossero responsabili della gran parte della massa dell'atomo, per cui stimò che il loro numero fosse davvero molto elevato, arrivando anche a qualche migliaio negli atomi più leggeri.

Successivamente si rese conto che erano molti di meno: solamente uno nell'idrogeno e due, tre o al massimo quattro nell'elio. Pertanto quasi tutta la massa dell'atomo era imputabile allo sfondo positivo, all'interno del quale gli elettroni si collocavano secondo una disposizione ad anelli concentrici, complanari e rotanti.

Il numero di elettroni previsto da Thomson per ciascun anello cresceva man mano che ci si spostava dal più interno al più esterno e aumentava con una regolarità che richiamava la periodicità della tavola degli elementi di Mendeleev.

Così, pur non essendone ancora stata dimostrata l'esistenza, all'inizio del Millenovecento l'atomo si presentava come qualcosa di ben più complesso della visione iniziale di Democrito.

Con i suoi esperimenti Thomson aveva chiaramente dimostrato che gli atomi avevano una loro struttura interna, la cui comprensione avrebbe sicuramente aiutato i fisici a fare luce sulle proprietà della materia.

Il modello atomico da lui proposto non aveva la pretesa di essere definitivo e di fatto non riusciva a spiegare fenomeni come gli spettri di emissione dei gas (si veda il capitolo 5) e quello della radioattività (si veda il capitolo 4). Non prevedeva neanche dei dati numerici da verificare in laboratorio che confermassero la sua validità, ma in ogni caso costituiva un buon punto di partenza.

Storia dei Quanti

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Chiara Zagonel

Chiara Zagonel, laureata in matematica e in fisica, appassionata di storia della scienza, dopo una lunga esperienza come insegnante, che le ha permesso di acquisire strumenti in campo didattico, si dedica ora alla divulgazione scientifica. Tiene conferenze e seminari sulla fisica quantistica.
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