Storia e Evoluzione del Modello Atomico: Dalla Filosofia Greca alla Fisica Moderna

Prime discussioni sul tema

Furono i filosofi greci a iniziare a mettere in discussione la natura in modo razionale, cercando principi fondamentali per spiegarla. Per esempio, Talete di Mileto, vissuto tra il VI e il V secolo a.C., postulò che la sostanza fondamentale dell'universo fosse l'acqua, da cui era possibile spiegare la costituzione di tutte le cose.

Una prospettiva diversa fu quella di Empedocle (V secolo a.C.), che sostenne l'esistenza di quattro sostanze di base: acqua, aria, fuoco e terra; la loro miscela avrebbe dato origine a tutti gli elementi della natura.

Una delle questioni fondamentali nel mondo antico riguardava la materia: essa è sempre divisibile (continuo) o esiste un limite (discreto)? Mentre alcuni filosofi postulavano che la materia fosse continua, altri sostenevano che fosse discreta, ovvero che esistesse un limite oltre il quale non era possibile suddividere ulteriormente. Questo limite, o particella fondamentale, fu chiamato atomo (che significa "indivisibile"). I principali fautori di questa idea furono Democrito di Abdera e Leucippo di Mileto (entrambi filosofi greci vissuti nel V secolo a.C.).

L'atomistica

Leucippo e Democrito ritenevano che la materia avesse una distribuzione discreta e che le particelle fondamentali, piccole, indivisibili e prive di strutture interne, fossero la base di tutta la materia.

Postulati della teoria atomica

• 1. Tutta la materia è fatta di atomi, che si muovono nel vuoto.
• 2. Gli atomi sono particelle di piccole dimensioni caratterizzate da durezza, forma e dimensione. Altre qualità della materia, come colore, gusto e temperatura, sono solo impressioni soggettive.
• 3. La combinazione di atomi può formare i quattro elementi (acqua, aria, fuoco e terra), che a loro volta compongono tutti gli elementi tramite legami.

Il contributo del pensiero scientifico

Le idee atomistiche dei filosofi greci hanno il merito di aver approcciato la realtà attraverso il pensiero, l'osservazione, l'immaginazione e il ragionamento. Tuttavia, mancava il grande passo compiuto dal pensiero scientifico: la sperimentazione.

• Galileo Galilei: fu colui che diede priorità al metodo sperimentale per testare le intuizioni sulla natura.
• Robert Boyle: eccezionale nel campo dello studio della materia, stabilì il concetto di elemento chimico come sostanza non scomponibile in altre, suggerendo che il loro numero fosse superiore a quattro.
• John Dalton: sviluppò il primo modello atomico dell'era scientifica. Nel 1808, basandosi su misure di massa e proporzioni, pubblicò un trattato con le seguenti idee:
  • Gli elementi chimici sono costituiti da particelle minuscole e indivisibili.
  • Tutti gli atomi dello stesso elemento chimico sono uguali.
  • Le masse degli atomi di elementi chimici diversi sono differenti.
  • Gli atomi sono indistruttibili e mantengono la propria identità nei cambiamenti chimici.
  • Gli atomi sono di forma sferica e si combinano in rapporti semplici (1:2, 2:3, ecc.) per formare sostanze chimiche.

Per riassumere le sue scoperte, Dalton utilizzò il linguaggio matematico e inventò un simbolismo per descrivere i cambiamenti chimici.

Primi esperimenti con le particelle atomiche

I. L'esperimento di Thomson

Durante il XIX secolo, gli scienziati iniziarono a sperimentare con i tubi a raggi catodici. Questi consistono in un tubo di vetro con un gas a pressione molto bassa, contenente due piastre metalliche (catodo e anodo) collegate a una differenza di potenziale. Il fisico inglese Joseph Thomson studiò a fondo i raggi catodici nel 1897.

Osservazioni e conclusioni di Thomson

• Evidenze: i raggi producono ombre, vengono deviati da un campo magnetico e si muovono dalla piastra negativa (catodo) alla positiva (anodo).
• Conclusioni: sono particelle cariche elettricamente, si muovono in linea retta e possiedono carica negativa.

Thomson scoprì che i raggi catodici erano frammenti dell'atomo. Poiché la materia è generalmente neutra, concluse che l'altra parte dell'atomo doveva avere carica positiva. Stabilì quindi un modello in cui gli elettroni sono incorporati in una massa di carica positiva, simile all'uvetta in un panettone.

II. L'esperimento di Rutherford

Nel 1911, il fisico Ernest Rutherford, applicando la tecnica dello scattering*, bombardò una sottile lamina d'oro con particelle alfa (nuclei di elio). Osservò che la maggior parte delle particelle passava direttamente, alcune venivano deviate e pochissime rimbalzavano all'indietro.

* Scattering: tecnica di osservazione indiretta che consiste nel lanciare particelle contro un obiettivo e analizzarne i risultati.

Il modello planetario di Rutherford

Rutherford postulò un modello basato su queste caratteristiche:

• L'atomo ha un nucleo che concentra oltre il 99% della massa ed è carico positivamente.
• Il raggio del nucleo è centomila volte più piccolo del raggio dell'atomo (circa 10⁻¹⁵ m).
• Nel guscio esterno si trovano gli elettroni, carichi negativamente, che ruotano ad alta velocità attorno al nucleo.

Nota: Poiché le dimensioni atomiche sono minuscole, si utilizza l'unità Angstrom (Å), dove 1 Å = 10⁻¹⁰ m.

Debolezze del modello

Nonostante il progresso rispetto a Thomson, il modello di Rutherford presentava un'incoerenza: secondo la fisica classica, un elettrone in movimento accelerato attorno al nucleo dovrebbe emettere radiazioni elettromagnetiche, perdendo energia e finendo per collassare sul nucleo, rendendo l'atomo instabile. La realtà, tuttavia, dimostra che gli atomi sono stabili.