Il modello atomico

La parola atomo viene dal greco atomos e sta ad indicare una particella non ulteriormente divisibile.
Prima di Dalton la parola fu utilizzata dai greci Leucippo e Democrito e ripresa dai romani col filosofo romano Lucrezio (90 a.C.-55a.C.) e altri.
La parola fu poi ripresa da I. Newton (1642-1727) che amava vedere la natura in forma particellare.
Nessuno di questi però pose le base per un concetto scientifico di atomo.

Il modello di Dalton (o a biglia)

John Dalton (1766-1844) in concomitanza con la formulazione della terza legge ponderale o legge delle proporzioni multiple, pensò ad un possibile modello per l'atomo, per la verità molto semplice, che rispondesse a quanto la scienza conosceva all'epoca.
Malgrado la rivoluzione industriale che colpiva ed allargava la città di Manchester ove lavorava Dalton, nel 1805 non si conosceva ancora cos'era calore ed energia e tutte le volte che si osservavano variazioni di calore si parlava di perdita di "calorico". Il calorico si perdeva per esempio in caso di attrito cioè quando, secondo Dalton gli atomi venivano in contatto tra di loro.
Nel suo modello l'atomo era pensato come una biglia indistruttubile, eterna, immutabile, circondata da calorico, con massa che Dalton, non potendo definirla meglio immaginava come multipla della massa dell'atomo di idrogeno (H=1 unità di Dalton). Atomi diversi potevano avere affinità l'uno verso l'altro e quindi combinarsi emettendo energia o calorico (mentre pensava erroneamente che atomi uguali non potessero avere in nessun caso affinità tra di loro e quindi potessero stare sì vicini ma non avere legami di nessun tipo).
I principi del modello atomico di Dalton sono quindi i seguenti:
- tutti i corpi materiali sono costituiti da atomi indivisibili;
- gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali e hanno quindi le stesse proprietà chimiche;
- gli atomi di elementi diversi sono differenti e hanno quindi differenti proprietà chimiche;
- nelle reazioni chimiche gli atomi rimangono inalterati e nei prodotti si ritrovano combinati in modo diverso;
- gli atomi di elementi diversi si combinano secondo precisi rapporti numerici formando le particelle dei composti;
- gli atomi di alcuni elementi possono combinarsi tra loro in più rapporti, comunque sempre definiti.

Il modello di Thomson (o a panettone)

Una volta preso piede il modello atomico della materia, e dopo aver riconosciuto l'esistenza di numerosi diversi elementi, non conciliabili con la dottrina dei quattro elementi di Aristotele, gli scienziati cominciarono a studiare la struttura dell'atomo.
I primi passi in questa direzione si ebbero solo dopo la costruzione di efficienti pompe da vuoto. Dalla scarica su gas in condizioni di alto vuoto Joseph John Thomson (1856-1940), a Cambridge in Inghilterra, nel 1895 riconobbe un fascio di particelle che si staccavano dal catodo (negativo) per muoversi verso l'anodo (positivo).
Tale fascio di particelle denominato raggio catodico, risultava indipendente dalla natura del gas che subiva la scarica.
J.J. Thomson studiò la carica ed altre proprietà delle particelle costituenti i raggi catodici definendoli col nome di elettroni. Molte osservazioni puntavano sul fatto che gli elettroni potessero essere più piccoli di una particella atomica.
All'opposto dei raggi catodici, quelli anodici apparivano positivi e la loro natura era dipendente dalla composizione del gas che subiva la scarica.
In origine non fu possibile identificare le dimensioni delle particelle dei raggi catodici e raggi anodici, ma era possibile misurare la densità di carica delle particelle, rapporto corrispondente a carica/massa: tale valore faceva apparire la densità di carica delle particelle negative assai più alta delle particelle positive (raggi anodici).
Queste scoperte suggerirono a J. J. Thomson quello che ancora oggi è ricordato come il primo modello "moderno" dell'atomo, che il fisico inglese immaginò verso il 1897 come una specie di panettone, ovvero come una sfera nel complesso neutra, costituita da una carica positiva uniformemente distribuita e da una carica negativa raccolta in piccole unità (semi) sparpagliati all'interno della massa positiva, appunto come le uvette in un panettone.
Poiché i raggi catodici sembravano persistenti nel tempo, Thomson pensava erroneamente che anche l'atomo più semplice, quello di idrogeno, potesse contenere migliaia di elettroni.
Questo modello che si ricollegava al modelo precedente che considerava l'atomo pieno fu però messa in discussione dai risultati degli esperimenti di Ernst Rutherford che lavorava sempre in Inghilterra ma a Manchester.

Il modello di Rutherford (o planetario)

Come poteva la materia essere piena se diversi tipi di particelle riuscivano ad attraversarla? Nei primi anni del XX secolo si assiste alla ridefinizione del problema dell'attraversamento della materia: son diversi gruppi di ricerca impegnati a capire la natura di fotoni, raggi X, raggi catodici ed emanazioni radioattive (raggi alfa e beta).
Nel 1906 Ernst Rutherford (1871-1937) si dedica direttamente o tramite colleghi, allo studio della diffusione di particelle alfa (positive) da parte di sottili lamine di metallo. Ora se il modello di J. J. Thomson era corretto i raggi α dovevano attraversare gli atomi al loro interno venendo deviati dalla loro direzione in piccola misura. Ma gli esperimenti mostrarono che circa una particella alfa su 8000 veniva deviata di un angolo superiore a novanta gradi.
Per spiegare questo fatto E. Rutherford nel 1911 assunse che la carica positiva dell'atomo non riempisse l'atomo ma fosse un piccolo nocciolo (o nucleo) fuori dal quale ruotavano gli elettroni. L'atomo era quindi essenzialmente "vuoto" tale da far passare diversi tipi di particele. Quale esempio macroscopico del modello atomico E. Rutherford pensò subito al sistema dei pianeti così che il suo modello prese il nome di modello planetario.
L'analogia tra microcosmo e macrocosmo andrebbe a meraviglia ma le leggi che regolano la gravitazione dei corpi e le leggi dell'elettromagnetismo (che si applicano ai corpi dotati di carica come elettroni e nucleo) non sono le stesse: una carica elettrica in moto circolare rispetto un corpo avente carica opposta dovrebbe infatti perdere energia percorrendo una traiettoria a spirale che la farebbe alla fine ricadere (o collassare) sul corpo.
Inoltre la radioattività β, supposta emessi dal nucleo dell'atomo, non si conciliava con un nucleo di sole particelle positive.
Senza scartare il modello di E. Rutherford che risultava corretto per numerose osservazioni gli scienziati cominciano a cercare idee per poter "stabilizzare" le orbite degli elettroni attorno al nucleo. Tutta una serie di osservazioni tra il 1911 ed il 1925 compiute da importanti scienziati quali N. Bohr, A. Einstein e A. Sommerfeld, Landé, W. Pauli mireranno a questo obiettivo.

Il primo conflitto mondiale (1914-1918) non farà che rallentare il raggiungimento di tale obiettivo ed è solo nel 1926 che si arriva alla stesura della quantomeccanica (per opera di M. Planck, N. Bohr, W. Heisenberg, E. Schrodinger, M. Born, W. Pauli, E. Fermi, ed il principe L. V. de Broglie) che riuscirà a spiegare in termini fisico-matematici la stabilità del modello nucleare di Rutherford.

Bibliografia