Dall'inizio dei tempi, gli esseri umani hanno cercato di capire di cosa è composto l'universo e tutto ciò che contiene. E mentre antichi maghi e filosofi concepivano un mondo composto da quattro o cinque elementi - terra, aria, acqua, fuoco (e metallo o coscienza) - dall'antichità classica, i filosofi iniziarono a teorizzare che tutta la materia era in realtà costituita da piccoli, atomi invisibili e indivisibili.
Da quel momento, gli scienziati hanno intrapreso un processo di scoperta in corso con l'atomo, sperando di scoprire la sua vera natura e trucco. Entro il 20 ° secolo, la nostra comprensione è stata perfezionata al punto che siamo stati in grado di costruirne un modello accurato. E nell'ultimo decennio, la nostra comprensione è avanzata ancora di più, al punto che siamo arrivati a confermare l'esistenza di quasi tutte le sue parti teorizzate.
Oggi la ricerca atomica si concentra sullo studio della struttura e della funzione della materia a livello subatomico. Ciò non consiste solo nell'identificare tutte le particelle subatomiche che si ritiene costituiscano un atomo, ma nello studiare le forze che le governano. Questi includono forze nucleari forti, forze nucleari deboli, elettromagnetismo e gravità. Ecco un dettaglio di tutto ciò che abbiamo imparato finora sull'atomo ...
Struttura dell'atomo:
Il nostro attuale modello di atomo può essere suddiviso in tre parti costituenti: protoni, neutroni ed elettroni. Ciascuna di queste parti ha una carica associata, con i protoni che trasportano una carica positiva, gli elettroni che hanno una carica negativa e i neutroni che non hanno una carica netta. In accordo con il Modello Standard della fisica delle particelle, protoni e neutroni formano il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni lo orbitano attorno ad una "nuvola".
Gli elettroni in un atomo sono attratti dai protoni nel nucleo dalla forza elettromagnetica. Gli elettroni possono sfuggire alla loro orbita, ma solo in risposta a una fonte esterna di energia applicata. Più l'orbita dell'elettrone si avvicina al nucleo, maggiore è la forza attrattiva; quindi, più forte era la forza esterna necessaria per far fuggire un elettrone.
Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in più orbite, ognuna delle quali corrisponde a un particolare livello di energia dell'elettrone. L'elettrone può cambiare il suo stato a un livello di energia più elevato assorbendo un fotone con energia sufficiente per aumentarlo nel nuovo stato quantico. Allo stesso modo, un elettrone in uno stato di energia superiore può scendere a uno stato di energia inferiore mentre irradia l'energia in eccesso come fotone.
Gli atomi sono elettricamente neutri se hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Gli atomi che hanno un deficit o un surplus di elettroni sono chiamati ioni. Gli elettroni più lontani dal nucleo possono essere trasferiti ad altri atomi vicini o condivisi tra atomi. Con questo meccanismo, gli atomi sono in grado di legarsi a molecole e altri tipi di composti chimici.
Tutte e tre queste particelle subatomiche sono Fermioni, una classe di particelle associate alla materia che è di natura elementare (elettroni) o composita (protoni e neutroni). Ciò significa che gli elettroni non hanno una struttura interna nota, mentre protoni e neutroni sono costituiti da altre particelle subatomiche. chiamati quark. Esistono due tipi di quark negli atomi, che hanno una carica elettrica frazionata.
I protoni sono composti da due quark "up" (ciascuno con una carica di +2/3) e un quark "down" (-1/3), mentre i neutroni sono costituiti da un quark up e due quark down. Questa distinzione spiega la differenza di carica tra le due particelle, che risulta rispettivamente con una carica di +1 e 0, mentre gli elettroni hanno una carica di -1.
Altre particelle subatomiche includono i Leptoni, che si combinano con i Fermioni per formare i mattoni della materia. Ci sono sei leptoni nell'attuale modello atomico: le particelle di elettroni, muoni e tau e i loro neutrini associati. Le diverse varietà delle particelle di Lepton, comunemente chiamate "sapori", si differenziano per dimensioni e cariche, che influiscono sul livello delle loro interazioni elettromagnetiche.
Quindi, ci sono Bosoni di gauge, che sono noti come "portatori di forze" poiché mediano le forze fisiche. Ad esempio, i gluoni sono responsabili della forte forza nucleare che tiene insieme i quark mentre i bosoni W e Z (ancora ipotetici) sono ritenuti responsabili della debole forza nucleare dietro l'elettromagnetismo. I fotoni sono la particella elementare che compone la luce, mentre il bosone di Higgs è responsabile di dare la massa ai bosoni W e Z.
Massa atomica:
La maggior parte della massa di un atomo proviene dai protoni e dai neutroni che compongono il suo nucleo. Gli elettroni sono il meno massiccio delle particelle costituenti di un atomo, con una massa di 9,11 x 10-31 kg e dimensioni troppo piccole per essere misurate con le tecniche attuali. I protoni hanno una massa che è 1.836 volte quella dell'elettrone, a 1.6726 × 10-27 kg, mentre i neutroni sono i più massicci dei tre, a 1.6929 × 10-27 kg (1,839 volte la massa dell'elettrone).
Il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo (chiamato "nucleoni") è chiamato il numero di massa. Ad esempio, l'elemento Carbon-12 è così chiamato perché ha un numero di massa di 12 - derivato dai suoi 12 nucleoni (sei protoni e sei neutroni). Tuttavia, gli elementi sono anche organizzati in base ai loro numeri atomici, che è lo stesso del numero di protoni trovati nel nucleo. In questo caso, il carbonio ha un numero atomico di 6.
La massa effettiva di un atomo a riposo è molto difficile da misurare, poiché anche gli atomi più massicci sono troppo leggeri per esprimersi in unità convenzionali. Pertanto, gli scienziati usano spesso l'unità di massa atomica unificata (u) - chiamata anche dalton (Da) - che è definita come un dodicesimo della massa di un atomo neutro libero di carbonio-12, che è circa 1,66 × 10-27 kg.
I chimici usano anche talpe, un'unità definita come una talpa di qualsiasi elemento che ha sempre lo stesso numero di atomi (circa 6.022 × 1023). Questo numero è stato scelto in modo tale che se un elemento ha una massa atomica di 1 u, una mole di atomi di quell'elemento ha una massa vicina a un grammo. A causa della definizione dell'unità di massa atomica unificata, ogni atomo di carbonio-12 ha una massa atomica di esattamente 12 u, quindi una mole di atomi di carbonio-12 pesa esattamente 0,012 kg.
Decadimento radioattivo:
Qualsiasi due atomi che hanno lo stesso numero di protoni appartengono allo stesso elemento chimico. Ma gli atomi con un uguale numero di protoni possono avere un diverso numero di neutroni, che sono definiti come diversi isotopi dello stesso elemento. Questi isotopi sono spesso instabili e tutti quelli con un numero atomico maggiore di 82 sono noti per essere radioattivi.
Quando un elemento subisce un decadimento, il suo nucleo perde energia emettendo radiazioni - che possono essere costituite da particelle alfa (atomi di elio), particelle beta (positroni), raggi gamma (energia elettromagnetica ad alta frequenza) ed elettroni di conversione. La velocità con cui un elemento instabile decade è conosciuta come la sua "emivita", che è la quantità di tempo necessaria affinché l'elemento scenda alla metà del suo valore iniziale.
La stabilità di un isotopo è influenzata dal rapporto tra protoni e neutroni. Dei 339 diversi tipi di elementi che si verificano naturalmente sulla Terra, 254 (circa il 75%) sono stati etichettati come "isotopi stabili", ovvero non soggetti a decadimento. Altri 34 elementi radioattivi hanno emivite più lunghe di 80 milioni di anni e sono presenti anche dai primi anni del sistema solare (quindi perché sono chiamati "elementi primordiali").
Infine, sono noti altri 51 elementi di breve durata che si verificano in modo naturale, come "elementi figlie" (vale a dire sottoprodotti nucleari) del decadimento di altri elementi (come il radio dall'uranio). Inoltre, elementi radioattivi di breve durata possono essere il risultato di processi energetici naturali sulla Terra, come il bombardamento di raggi cosmici (ad esempio il carbonio-14, che si verifica nella nostra atmosfera).
Storia dello studio:
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.
Dalton iniziò con la domanda sul perché gli elementi reagissero in rapporti di piccoli numeri interi e concluse che queste reazioni si sono verificate in multipli di numero intero di unità discrete - in altre parole, atomi. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono gas, Dalton ha continuato a sviluppare quella che è conosciuta come la teoria atomica di Dalton, che rimane uno dei cardini della fisica e della chimica moderne.
La teoria si riduce 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.
Alla fine del XIX secolo, gli scienziati hanno 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. E poi nel 1897, attraverso una serie di esperimenti usando i raggi catodici, il fisico J.J. Thompson annunciò di aver scoperto un'unità 1000 volte più piccola e 1800 volte più leggera di un atomo di idrogeno.
I suoi esperimenti hanno anche mostrato che erano identici alle particelle emesse dall'effetto fotoelettrico e dai materiali radioattivi. Successivi esperimenti hanno rivelato che questa particella trasportava corrente elettrica attraverso fili metallici e cariche elettriche negative all'interno degli atomi. Ecco perché la particella - che originariamente era chiamata "corpuscolo" - fu in seguito cambiata in "elettrone", dopo la previsione della particella di George Johnstone Stoney nel 1874.
Tuttavia, Thomson postulò anche che gli elettroni erano distribuiti in tutto l'atomo, che era un mare uniforme di carica positiva. Questo divenne noto come il "modello di budino di prugne", che in seguito sarebbe stato smentito. Ciò avvenne nel 1909, quando i fisici Hans Gieger ed Ernest Marsden (sotto la direzione di Ernest Rutherfod) condussero il loro esperimento usando fogli di metallo e particelle alfa.
Coerentemente con il modello atomico di Dalton, credevano che le particelle alfa sarebbero passate direttamente attraverso la lamina con poca deflessione. Tuttavia, molte particelle sono state deviate ad angoli maggiori di 90 °. Per spiegare questo, Rutherford ha proposto che la carica positiva dell'atomo sia concentrata in un piccolo nucleo al centro.
Nel 1913, il fisico Niels Bohr propose un modello in cui gli elettroni orbitavano attorno al nucleo, ma poteva farlo solo in un insieme finito di orbite. Propose anche che gli elettroni potessero saltare tra le orbite, ma solo in discreti cambiamenti di energia corrispondenti all'assorbimento o alla radiazione di un fotone. Questo non solo ha raffinato il modello proposto da Rutherford, ma ha anche dato origine al concetto di atomo quantizzato, in cui la materia si comportava in pacchetti discreti.
Lo sviluppo dello spettrometro di massa - che utilizza un magnete per piegare la traiettoria di un fascio di ioni - ha permesso di misurare la massa di atomi con maggiore precisione. Il chimico Francis William Aston usò questo strumento per dimostrare che gli isotopi avevano masse diverse. Questo a sua volta fu seguito dal fisico James Chadwick, che nel 1932 propose il neutrone come un modo per spiegare l'esistenza degli isotopi.
All'inizio del XX secolo, la natura quantistica degli atomi è stata ulteriormente sviluppata. Nel 1922, i fisici tedeschi Otto Stern e Walther Gerlach condussero un esperimento in cui un raggio di atomi d'argento era diretto attraverso un campo magnetico, che aveva lo scopo di dividere il raggio tra la direzione del momento angolare (o rotazione) degli atomi.
Conosciuto come esperimento Stern-Gerlach, i risultati furono che il raggio si divise in due parti, a seconda che la rotazione degli atomi fosse orientata verso l'alto o verso il basso. Nel 1926, il fisico Erwin Schrodinger usò l'idea di particelle che si comportano come onde per sviluppare un modello matematico che descrivesse gli elettroni come forme d'onda tridimensionali anziché semplici particelle.
Una conseguenza dell'uso delle forme d'onda per descrivere le particelle è che è matematicamente impossibile ottenere valori precisi sia per la posizione che per il momento di una particella in un dato momento. Nello stesso anno, Werner Heisenberg formulò questo problema e lo definì il "principio di incertezza". Secondo Heisenberg, per una data misurazione accurata della posizione, si può ottenere solo un intervallo di valori probabili per il momento, e viceversa.
Negli anni '30, i fisici scoprirono la fissione nucleare, grazie agli esperimenti di Otto Hahn, Lise Meitner e Otto Frisch. Gli esperimenti di Hahn riguardavano la direzione dei neutroni sugli atomi di uranio nella speranza di creare un elemento transuranico. Invece, il processo ha trasformato il suo campione di uranio-92 (Ur92) in due nuovi elementi: il bario (B56) e krypton (Kr27).
Meitner e Frisch hanno verificato l'esperimento e lo hanno attribuito alla divisione degli atomi di uranio per formare due elementi con lo stesso peso atomico totale, un processo che ha anche rilasciato una notevole quantità di energia rompendo i legami atomici. Negli anni che seguirono, iniziò la ricerca sulla possibile arma di questo processo (cioè sulle armi nucleari) e portò alla costruzione delle prime bombe atomiche negli Stati Uniti entro il 1945.
Negli anni '50, lo sviluppo di acceleratori e rivelatori di particelle migliorati ha permesso agli scienziati di studiare gli impatti degli atomi che si muovono ad alta energia. Da ciò è stato sviluppato il Modello standard della fisica delle particelle, che finora ha spiegato con successo le proprietà del nucleo, l'esistenza di particelle subatomiche teorizzate e le forze che regolano le loro interazioni.
Esperimenti moderni:
Dalla seconda metà del 20 ° secolo, molte nuove ed eccitanti scoperte sono state riguardo alla teoria atomica e alla meccanica quantistica. Ad esempio, nel 2012, la lunga ricerca del Bosone di Higgs ha portato a una svolta in cui i ricercatori che lavorano presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera hanno annunciato la sua scoperta.
Negli ultimi decenni, i fisici hanno dedicato una grande quantità di tempo ed energia allo sviluppo di una teoria dei campi unificata (alias. Grand Unifying Theory o Theory of Everything). In sostanza, sin dalla prima proposta del Modello standard, gli scienziati hanno cercato di capire come le quattro forze fondamentali dell'universo (gravità, forze nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo) lavorano insieme.
Mentre la gravità può essere compresa usando le teorie della relatività di Einstein e le forze nucleari e l'elettromagnetismo possono essere comprese usando la teoria quantistica, nessuna delle due teorie può spiegare tutte e quattro le forze che lavorano insieme. I tentativi di risolverlo hanno portato a una serie di teorie proposte nel corso degli anni, che vanno dalla teoria delle stringhe alla gravità quantistica del loop. Ad oggi, nessuna di queste teorie ha portato a una svolta.
La nostra comprensione dell'atomo ha fatto molta strada, dai modelli classici che lo vedevano come un solido inerte che interagiva meccanicamente con altri atomi, alle teorie moderne in cui gli atomi sono composti da particelle energetiche che si comportano in modo imprevedibile. Mentre ci sono volute diverse migliaia di anni, la nostra conoscenza della struttura fondamentale di tutta la materia è notevolmente migliorata.
Eppure, rimangono molti misteri che devono ancora essere risolti. Con il tempo e gli sforzi continui, possiamo finalmente svelare gli ultimi segreti rimanenti dell'atomo. D'altra parte, potrebbe benissimo essere che qualsiasi nuova scoperta che facciamo faccia sorgere solo più domande - e potrebbero essere ancora più confuse di quelle che sono venute prima!
Abbiamo scritto molti articoli sull'atomo per Space Magazine. Ecco un articolo sul modello atomico di John Dalton, il modello atomico di Neils Bohr, Who Was Democritus? E quanti atomi ci sono nell'universo?
Se desideri maggiori informazioni sull'atomo, consulta l'articolo della NASA sull'analisi dei piccoli campioni, ed ecco un link all'articolo della NASA su atomi, elementi e isotopi.
Abbiamo anche registrato un intero episodio di Astronomy Cast tutto sull'Atom. Ascolta qui, Episodio 164: Inside the Atom, Episodio 263: Radioactive Decay, ed Episodio 394: The Standard Model, Bosons.
