L'inizio del XX secolo fu un periodo molto propizio per le scienze. Oltre a Ernest Rutherford e Niels Bohr che hanno dato vita al Modello standard della fisica delle particelle, è stato anche un periodo di scoperte nel campo della meccanica quantistica. Grazie agli studi in corso sul comportamento degli elettroni, gli scienziati hanno iniziato a proporre teorie secondo cui queste particelle elementari si sono comportate in modo da sfidare la fisica classica newtoniana.
Un esempio è l'Electron Cloud Model proposto da Erwin Schrodinger. Grazie a questo modello, gli elettroni non venivano più rappresentati come particelle che si muovevano attorno a un nucleo centrale in un'orbita fissa. Invece, Schrodinger ha proposto un modello in base al quale gli scienziati potevano solo fare ipotesi istruite sulle posizioni degli elettroni. Quindi, le loro posizioni potrebbero essere descritte solo come parte di una "nuvola" attorno al nucleo in cui è probabile che si trovino gli elettroni.
Fisica atomica al 20 ° secolo:
I primi esempi noti di teoria atomica provengono dall'antica Grecia e dall'India, dove filosofi come Democrito ipotizzavano che tutta la materia fosse composta da unità minuscole, indivisibili e indistruttibili. Il termine "atomo" è stato coniato nell'antica Grecia e ha dato origine alla scuola di pensiero nota come "atomismo". Tuttavia, questa teoria era più un concetto filosofico che scientifico.
Non è stato fino al 19 ° secolo che la teoria degli atomi si è articolata come una questione scientifica, con i primi esperimenti basati su prove. Ad esempio, nei primi anni del 1800, lo scienziato inglese John Dalton usò il concetto di atomo per spiegare perché gli elementi chimici reagivano in certi modi osservabili e prevedibili. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono gas, Dalton ha continuato a sviluppare quella che è conosciuta come la teoria atomica di Dalton.
Questa teoria si estese alle leggi della conversazione di massa e proporzioni definite e arrivò a cinque premesse: gli elementi, nel loro stato più puro, sono costituiti da particelle chiamate atomi; gli atomi di un elemento specifico sono tutti uguali, fino all'ultimo atomo; gli atomi di diversi elementi possono essere separati dai loro pesi atomici; atomi di elementi si uniscono per formare composti chimici; gli atomi non possono essere né creati né distrutti nella reazione chimica, solo il raggruppamento cambia mai.
Scoperta dell'elettrone:
Entro la fine del 19 ° secolo, gli scienziati hanno anche iniziato a teorizzare che l'atomo fosse composto da più di un'unità fondamentale. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati si è azzardata a ritenere che questa unità avrebbe le dimensioni del più piccolo atomo conosciuto - idrogeno. Entro la fine del 19 ° secolo, il suo sarebbe cambiato drasticamente, grazie alla ricerca condotta da scienziati come Sir Joseph John Thomson.
Attraverso una serie di esperimenti usando tubi a raggi catodici (noti come il tubo di Crookes), Thomson osservò che i raggi catodici potevano essere deviati da campi elettrici e magnetici. Concluse che invece di essere composte da luce, erano costituite da particelle caricate negativamente che erano 1ooo volte più piccole e 1800 volte più leggere dell'idrogeno.
Ciò ha effettivamente smentito l'idea che l'atomo di idrogeno fosse la più piccola unità di materia e Thompson andò oltre a suggerire che gli atomi fossero divisibili. Per spiegare la carica complessiva dell'atomo, che consisteva in cariche sia positive che negative, Thompson propose un modello in base al quale i "corpuscoli" caricati negativamente venivano distribuiti in un mare uniforme di carica positiva, noto come Plum Pudding Model.
Questi corpuscoli sarebbero stati successivamente denominati "elettroni", sulla base della particella teorica prevista dal fisico anglo-irlandese George Johnstone Stoney nel 1874. E da questo nacque il Plum Pudding Model, così chiamato perché assomigliava molto al deserto inglese che consiste di plumcake e uvetta. Il concetto fu introdotto nel mondo nell'edizione del Regno Unito del marzo 1904 Rivista filosofica, con grande successo.
Sviluppo del modello standard:
Esperimenti successivi hanno rivelato una serie di problemi scientifici con il modello Plum Pudding. Per cominciare, c'era il problema di dimostrare che l'atomo possedeva una carica di fondo positiva uniforme, che divenne noto come "Problema di Thomson". Cinque anni dopo, il modello sarebbe stato smentito da Hans Geiger ed Ernest Marsden, che hanno condotto una serie di esperimenti usando particelle alfa e lamina d'oro - alias. l '"esperimento sulla lamina d'oro".
In questo esperimento, Geiger e Marsden hanno misurato il modello di dispersione delle particelle alfa con uno schermo fluorescente. Se il modello di Thomson fosse corretto, le particelle alfa passerebbero senza impedimenti attraverso la struttura atomica della lamina. Tuttavia, hanno notato invece che mentre la maggior parte sparava direttamente, alcuni di essi erano sparsi in varie direzioni, mentre alcuni tornavano nella direzione della fonte.
Geiger e Marsden conclusero che le particelle avevano incontrato una forza elettrostatica molto maggiore di quella consentita dal modello di Thomson. Poiché le particelle alfa sono solo nuclei di elio (che sono caricati positivamente), ciò implicava che la carica positiva nell'atomo non era ampiamente dispersa, ma concentrata in un volume minuscolo. Inoltre, il fatto che quelle particelle che non erano state deviate attraversassero senza ostacoli significava che questi spazi positivi erano separati da vasti abissi di spazio vuoto.
Nel 1911, il fisico Ernest Rutherford interpretò gli esperimenti di Geiger-Marsden e respinse il modello dell'atomo di Thomson. Invece, ha proposto un modello in cui l'atomo era costituito principalmente da spazio vuoto, con tutta la sua carica positiva concentrata nel suo centro in un volume molto piccolo, che era circondato da una nuvola di elettroni. Questo divenne noto come il modello dell'atomo di Rutherford.
I successivi esperimenti di Antonius Van den Broek e Niels Bohr hanno perfezionato ulteriormente il modello. Mentre Van den Broek ha suggerito che il numero atomico di un elemento è molto simile alla sua carica nucleare, quest'ultimo ha proposto un modello dell'atomo simile al sistema solare, in cui un nucleo contiene il numero atomico di carica positiva ed è circondato da un uguale numero di elettroni nei gusci orbitali (alias il modello di Bohr).
Il modello di nuvola di elettroni:
Durante gli anni 1920, il fisico austriaco Erwin Schrodinger fu affascinato dalle teorie Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld e altri fisici. Durante questo periodo, fu anche coinvolto nei campi della teoria atomica e degli spettri, ricercando all'Università di Zurigo e poi all'Università Friedrich Wilhelm di Berlino (dove successe a Planck nel 1927).
Nel 1926, Schrödinger affrontò il problema delle funzioni d'onda e degli elettroni in una serie di articoli. Oltre a descrivere quella che sarebbe diventata nota come equazione di Schrodinger - un'equazione differenziale parziale che descrive come lo stato quantico di un sistema quantistico cambia con il tempo - ha anche usato equazioni matematiche per descrivere la probabilità di trovare un elettrone in una certa posizione .
Questa divenne la base di quello che sarebbe diventato noto come il modello della nuvola di elettroni (o meccanica quantistica), così come l'equazione di Schrodinger. Basato sulla teoria quantistica, che afferma che tutta la materia ha proprietà associate a una funzione d'onda, il modello di nuvola di elettroni differisce dal modello di Bohr in quanto non definisce il percorso esatto di un elettrone.
Invece, prevede la posizione probabile della posizione dell'elettrone in base a una funzione di probabilità. La funzione di probabilità descrive sostanzialmente una regione simile a una nuvola in cui è probabile che si trovi l'elettrone, da cui il nome. Dove la nuvola è più densa, la probabilità di trovare l'elettrone è maggiore; e dove l'elettrone ha meno probabilità di trovarsi, la nuvola è meno densa.
Queste regioni dense sono note come "orbitali di elettroni", poiché sono la posizione più probabile in cui verrà trovato un elettrone in orbita. Estendendo questo modello di "nuvola" a uno spazio tridimensionale, vediamo un bilanciere o un atomo a forma di fiore (come nell'immagine in alto). Qui, le regioni ramificate sono quelle in cui è più probabile trovare gli elettroni.
Grazie al lavoro di Schrodinger, gli scienziati hanno iniziato a capire che nel regno della meccanica quantistica era impossibile conoscere contemporaneamente la posizione e il momento esatti di un elettrone. Indipendentemente da ciò che l'osservatore conosce inizialmente su una particella, può solo prevedere la sua posizione o momento di successo in termini di probabilità.
In nessun momento saranno in grado di accertare nessuno dei due. In effetti, più conoscono lo slancio di una particella, meno conosceranno la sua posizione e viceversa. Questo è ciò che oggi è noto come "Principio di incertezza".
Si noti che gli orbitali menzionati nel paragrafo precedente sono formati da un atomo di idrogeno (cioè con un solo elettrone). Quando si ha a che fare con atomi che hanno più elettroni, le regioni orbitali degli elettroni si diffondono uniformemente in una sfera fuzzy sferica. Qui è dove il termine "nuvola di elettroni" è più appropriato.
Questo contributo è stato universalmente riconosciuto come uno dei contributi di costo importanti del 20 ° secolo, e uno che ha innescato una rivoluzione nei campi della fisica, della meccanica quantistica e in effetti di tutte le scienze. Da allora in poi, gli scienziati non stavano più lavorando in un universo caratterizzato da assoluti di tempo e spazio, ma in incertezze quantistiche e relatività spazio-temporale!
Abbiamo scritto molti articoli interessanti su atomi e modelli atomici qui su Space Magazine. Ecco cos'è il modello atomico di John Dalton? Qual è il modello di budino di prugne? Qual è il modello atomico di Bohr? Chi era Democrito? E quali sono le parti di un atomo?
Per ulteriori informazioni, assicurati di controllare Cos'è la Meccanica Quantistica? da Live Science.
Astronomia Cast ha anche episodi sull'argomento, come Episodio 130: Radio Astronomia, Episodio 138: Meccanica quantistica ed Episodio 252: Principio di incertezza di Heisenberg
