mercoledì, Dicembre 19, 2018
CRONACAULISSE

I cent’anni dell’atomo di Bohr

Stylised_Lithium_Atom.svgSTORIA – Tre articoli e 67 pagine di calcoli furono necessari al fisico danese Niels Bohr per la pubblicazione del suo nuovo modello di atomo. On the Constitution of Atoms and Molecules, “Della costituzione di atomi e molecole”, fu quindi un articolo mastodontico non solo per la sua rilevanza nella teoria della fisica atomica, ma anche per la sua estensione. Due anni e mezzo fa abbiamo celebrato proprio su questa webzine il centenario della formulazione dell’atomo di Rutherford: il modello planetario, quello con una forte carica al centro concentrata in un volume piccolo, e una nuvola di elettroni intorno. Il fisico neozelandese ideò il suo modello nel gennaio 1911; nel luglio 1913, appunto due anni e mezzo dopo, Bohr, che di Rutherford era stato allievo, corresse il proprio maestro, pubblicando sulla rivista Philosophical Review il primo dei tre articoli che lanciarono un nuovo modello di atomo.

Bohr si era accorto che qualcosa, nel modello di Rutherford, non funzionava come avrebbe dovuto: secondo la fisica classica, gli elettroni (cui, per inciso, Rutherford non aveva attribuito alcuna struttura specifica) avrebbero dovuto spiraleggiare dalla loro posizione emettendo energia elettromagnetica, fino a schiantarsi nel nucleo, rendendo tutti gli atomi instabili. Ma ciò non accadeva. Un altro aspetto che il modello di Rutherford non riusciva a spiegare era la validità sperimentale dell’equazione di Rydberg, formulata nel 1888 e che descriveva le linee dello spettro di molti elementi chimici: nonostante la formula permettesse di fare previsioni corrette, non era però supportata da alcuna spiegazione fisica. Ora sappiamo che, ai tempi di Rydberg, una spiegazione completamente valida non sarebbe mai potuta arrivare, e ciò per un motivo assai semplice: mancavano i fondamenti matematici che potessero permetterla. L’equazione di Rydberg esprimeva infatti, benché inconsapevolmente, il carattere quantistico degli atomi, e l’ipotesi che l’energia fosse irradiata e assorbita in ‘quanti’ discreti fu formulata matematicamente soltanto nel 1900 da Max Planck.

Il modello di Bohr continuava a mantenere al centro dell’atomo un nucleo compatto e positivamente carico, ma stavolta gli elettroni, invece di essere semplicemente sparsi attorno al nucleo, orbitavano su traiettorie ben precise – le orbite stazionarie – senza irradiare energia, a certe distanze discrete dal nucleo, in un modello simile a quello del sistema solare. L’attrazione tra elettroni e nucleo non era dovuta alla gravità ma alle forze elettrostatiche. Inoltre il nuovo modello, che teneva conto dei vincoli espressi dalla teoria quantistica, permetteva di spiegare fisicamente la struttura dell’equazione di Rydberg per l’idrogeno, oltre a fornire una giustificazione dei risultati empirici in termini di costanti fisiche fondamentali: i numeri interi dell’equazione diventavano, nella formulazione di Bohr, gli orbitali degli elettroni a diverse distanze intere dal nucleo. Secondo Bohr, gli elettroni potevano solo acquistare e perdere energia saltando da un orbitale all’altro, assorbendo o emettendo così radiazione elettromagnetica a una frequenza caratteristica, pari alla differenza di energia tra i due livelli. Oggi parleremmo dell’assorbimento o emissione di un fotone: Bohr, però, non parlò mai di fotoni, perché era fermamente convinto che non esistesse alcun oggetto fisico simile.

Benché il nuovo modello abbia rappresentato un passo in avanti in termini di spiegabilità del comportamento dell’atomo, fu successivamente superato dai modelli di Heisenberg e di Schrödinger, con il passaggio da quella che oggi viene chiamata vecchia teoria dei quanti alla meccanica quantistica, dodici anni dopo la pubblicazione del modello di Bohr. Per esempio, nel modello di Bohr, gli elettroni percorrevano orbite circolari, mentre nel modello quantistico gli elettroni non hanno né una posizione né una velocità precise, e non possono quindi percorrere un cerchio. La vecchia teoria dei quanti è vista oggi come un insieme di mezzi empirici che servirono a spiegare una serie di fenomeni, evidenziati dagli esperimenti, altrimenti inspiegabili nel quadro della meccanica classica: furono le prime, fondamentali avvisaglie di quella che sarebbe diventata la rivoluzione quantistica; fu il periodo in cui, seguendo lo schema tracciato nel 1962 dell’epistemologo Thomas Kuhn, le certezze del paradigma classico cominciarono a cadere.

Crediti immagine: Halfdan, Wikimedia Commons

5 Commenti

  1. Bell’articolo.
    In ogni caso, prendere atto che gli elettroni non circolano in orbite precise ma solo entro date funzioni d’onda (si dice così?), mi ha sempre assieme affascinato e fatto paura… E’ come se anche la materia avesse natura ondulatoria (è corretto ho sto dicendo qualche eresia?), giusto? E questo mi stranisce non poco… In sostanza perché la materia solida è impenetrabile? E’ l’attrazione elettromagnetica tra atomi che la rende tale? Per ipotesi, se fossi dotato di massa e più piccolo di un atomo, potrei passare attraverso la materia solida? E se fossi appena più grande di un atomo? Se potessimo scendere a livello quantico, cosa vedremmo? Elettroni che vibrano secondo una certa frequenza come onde radio? E il nucelo dell’atomo, fatto di protoni e neutroni, lo vedremmo? E vedremmo i quark? E gli atomi legati tra loro, da cosa sono legati? Da legami energetici duri come muri?
    p.s.: perdonate le mie domande (in specie, quelle tra tra parentesi, che possono parere magari idiote), ma io non ho studiato fisica, cerco solo di ricordare quello che ho letto in materia di fisica quantistica, che, tra principio di indeterminazione, non località, telestrasporto, e, forse, ora, computer quantistici, mi manda il cervello – e non solo metaforicamente – in pappa…!

  2. … non è possibile scrivere ” e non possono quindi percorrere un cerchio”: il cerchio è una figura piana e non una traiettoria. Mi raccomando, correggete …
    /walter manzon (docente di Liceo)

  3. Dai cent’anni dell’atomo di Bohr arriveremo anche a riscontrare che la spiegabilità del comportamento dell’atomo è la premessa del passaggio dalla materia inorganica a quella organica, con una maggiore azione interdisciplinare tra la fisica e la biochimica. E da tale premessa arriveremo anche a riscontrare la spiegabilità dell’evoluzione e della motivazione della vita in questo universo.

  4. Le domande di Davide Terranova sono bellissime
    la loro risposta però è assai complessa.. Andiamo per gradi:
    La materia ha natura ondulatoria? SI
    La giustificazione di tale asserzione secondo la fisica moderna è:
    Le particelle materiali, elettroni, protoni, neutroni, ma anche atomi massicci esibiscono in determinate condizioni sperimentali EFFETTI DI DIFFRAZIONE perciò si dice che hanno un comportamento ONDULATORIO.
    Per converso in determinate condizioni sperimentali LA LUCE esibisce effetti materiali ovvero si comporta come le particelle dotate di massa. Per esempio l’effetto fotoelettrico è un effetto particellare. Le particelle di luce chiamate fotoni possono “estirpare”, strappare, elettroni da superfici metalliche o semiconduttori. I tetti fotovoltaici debbono ringraziare la natura materiale della luce per la loro attività di produttori di corrente elettrica.
    Purtroppo non è possibile (anche se la materia ) è praticamente vuota ammassarla a volontà fino a densità enormi in quanto gli elettroni costituenti la materia possono stare vicini solo a DUE a DUE per il principio di Pauli, perciò non è permesso avvicinare quanti elettroni si vogliono ed inoltre dopo l’interazione spin(+1/2) e spin (–1/2) si stratificano energeticamente. Per lo stesso motivo la materia solida è impenetrabile, nel senso che se c’è un cubo di acciaio in un posto nello stesso posto non può esserci un cubo di legno.
    Le punte dei microscopi a scansione elettronica (SEM) emettono elettroni (primari) che “vedono” gli oggetti atomici dell’ordine del nm attraverso l’emissione di elettroni (secondari). Intuisci che si tratta di “giocare” contemporaneamente con effetti ondulatori e particellari. L’immagine che noi vediamo delle superfici atomiche sono degli artefatti dovuti alla necessità di trasformare i segnali della natura elettroni, protoni ecc in cose intellegibili per noi umani come curve, grafici, masse di densità variabile ecc.
    Quindi NON vedremo mai realmente atomi e particelle atomiche. Ciò lo impedisce il principio di indeterminazione di Heisenberg. Infine quando dici: da cosa sono legati molecole, atomi ecc. . Se tu avvicini gli occhi alla tua mano e guardi da vicino la tua pelle devi pensare che sei stato costruito tramite un progetto come una corda costituita da molti fili intrecciati. Un solo filo non darebbe alcuna resistenza anzi non ci sarebbe neanche la corda.
    Una sola molecola magari complessa non potrebbe costruire un uomo. Si tratta di intrecciare molte molecole che hanno talune caratteristiche. Tuttavia per l’uomo vi è qualche cosa di più che un progetto, si tratta di un progetto che trasporta su altri livelli di conoscenza che ancora non sappiamo esplorare.

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