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L’atomo quantistico. Uno “strano oggetto”

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Articolo 6/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani

Agli inizi del XX secolo, la teoria atomica era praticamente universalmente accettata.  Se ha senso in scienza usare una data come spartiacque, la pubblicazione del libro Les Atoms di Jean Perrin nel 1913 segnò la definitiva vittoria dell’atomismo.  Per esempio, Perrin usando tredici metodi sperimentali diversi, determinò il valore del numero di Avogadro e tutti erano consistenti, mostrando in maniera inequivocabile che gli atomi si potevano “contare”.  Il successo di Perrin convinse anche Wilhelm Ostwald e Henri Poincaré, che erano stati scettici sulla reale esistenza degli atomi, a ricredersi.  Dice Poincaré: “l’ipotesi atomica ha recentemente acquisito abbastanza evidenza da cessare di essere una mera ipotesi”.  Nel breve volgere di un trentennio (dal 1896, scoperta della radioattività, al 1927, con la formulazione del principio di indeterminazione di Heisenberg), tra l’altro a cavallo del libro di Perrin, cambiò tutto, con la nascita dell’atomo quantistico e le sue “strane” caratteristiche.

Per poter parlare dell’atomo della meccanica quantistica, bisogna iniziare dall’atomo del modello di Bohr del 1913 che rappresenta il primo modello atomico con la quantizzazione dell’energia (e delle orbite elettroniche).  Ponendo al centro dell’attenzione la comprensione della stabilità della materia, che dal punto di vista della meccanica classica appariva come “un miracolo”, Bohr avanzò una l’ipotesi che, contrariamente alla teoria della meccanica classica, gli elettroni potessero muoversi solo in certe selezionate orbite con energia costante o, in maniera equivalente, a certe distanze fissata dal nucleo (orbite circolari).  Quando gli elettroni erano in queste orbite, l’atomo non emetteva, contrariamente a quanto avrebbe dovuto fare per la teoria elettromagnetica classica, e l’emissione e l’assorbimento di energia avveniva solo per il salto dell’elettrone da un’orbita all’altra.  Questa ipotesi porta automaticamente all’assegnazione di un numero intero che identifichi l’orbita e che costituisce il primo numero quantico (poi detto numero quantico principale).

assorbimento o emissione di fotoni da parte di un atomo 

Questi salti spiegavano la variazione discontinua nell’assorbimento o emissione, ma aprivano subito un altro problema: era tale transizione istantanea?  Se no, dove era l’elettrone durante il salto?  Questo concetto di transizione tra stati fu criticato da molti fisici.  Per esempio Louis de Broglie si poneva il problema che questi salti non potevano essere descritti nello spazio e per E. Schrödinger l’idea dei salti quantistici era un nonsenso.  D’altra parte le ipotesi di Bohr permisero di calcolare il raggio dell’atomo d’idrogeno, il suo potenziale di ionizzazione e di riprodurre correttamente la serie spettrale di Balmer per questo atomo.  Fu Arnold Sommerfeld che sostituì le orbite circolari con quelle ellittiche e introdusse un secondo numero quantico, poi detto azimutale, per direzionare l’asse principale dell’ellisse; per spiegare l’effetto del campo magnetico sulle linee spettrali venne presto introdotto un terzo numero quantico, quello magnetico.  Questi tre numeri quantici potevano essere correlati alla grandezza, alla forma e all’orientamento spaziale delle orbite corrispondenti.

Nel caso dell’atomo d’idrogeno vi era un solo elettrone e questo occupava ovviamente l’orbita a più bassa energia; quale era il numero massimo di elettroni che un’orbita poteva contenere negli atomi più complessi?  Questo problema fu ben presente nella mente di Bohr, ma la soluzione fu trovata solo nel 1926 da W. Pauli, con l’introduzione di un quarto numero quantico (quello di spin) e l’esplicitazione del principio di esclusione che asseriva che non vi erano mai due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici.  Quindi in un’orbita potevano trovare posto al massimo due elettroni, con numero quantico di spin opposto.

rappresentazione immaginifica di atomo

 A questo punto del discorso bisogna passare dal concetto di orbita a quello di orbitale.  È questo un punto delicato, in didattica ma non solo, perché fino all’orbita, anche all’orbita fissata nello spazio, si riesce bene a visualizzare l’atomo che, fino a questo punto, non è ancora tanto “strano” da non essere più “classico”.  C’è il problema della discontinuità dell’energia (orbite fissate), ma questo è più un problema “scientifico” (o filosofico, Natura non facit saltum) che una difficoltà a “vedere” e “percepire” l’atomo.

Non è questo il posto per inoltrarci nel concetto complicato di “orbitale”.   Io qualcosa di più su questo concetto l’ho detto nel libro e altrove.  Credo, tuttavia, che un ampio e dettagliato lavoro per rendere “usufruibili” didatticamente questi concetti, sia ancora mancante.  Per esempio, sull’aspetto probabilistico intrinseco all’orbitale. Va precisato che, nell’interpretazione di Born della funzione d’onda, tale aspetto probabilistico è molto diverso da quello della probabilità classica, applicata per esempio nell’Ottocento alla teoria dei gas.   In questo ultimo caso, il sistema era considerato del tutto deterministico e solo la nostra impossibilità a padroneggiare l’enorme mole di traiettorie, dovute alla grande quantità di atomi presenti anche in piccole porzioni di gas, rendeva necessaria un’approssimazione statistica.  Nella meccanica quantistica la situazione è completamente diversa. È nella “natura” della particella la sua componente probabilistica e non nella nostra incapacità o ignoranza.

 Questo aspetto probabilistico intrinseco, il principio di indeterminazione di Heisenberg, insieme alla quantizzazione dell’energia e di altre caratterorbitali atomici di tipo distiche atomiche (il momento angolare, per esempio), mi hanno fatto parlare dell’atomo quantistico come di uno “strano oggetto”.   Sulla “natura dell’atomo” e sul confronto tra questo ente e un oggetto macroscopico, torneremo nell’articolo sul micro e macromondo.

Vediamo, adesso, in dettaglio quali sono le caratteristiche dell’atomo dei greci che si sono conservate e quali sono state sostituite nell’odierna visione atomica.
Schematizziamo in pochi punti l’atomo democriteo.

  1. L’atomo è la particella elementare della materia.
  2. Gli atomi hanno diverse grandezze e diverse forme; essi sono in numero e di tipi infiniti, differenti appunto per forma e dimensioni.
  3. L’atomo è impenetrabile ed indivisibile perché non contiene nessun vuoto. 
  4. Gli atomi sono tutti qualitativamente identici, o meglio non hanno in sé qualità, se non quelle sopraddette, matematicamente identificabili. 
  5. Secondo la teoria atomica, tutti i mutamenti sostanziali o qualitativi che osserviamo nei corpi fisici vengono ricondotti ai movimenti degli atomi.
  6. Nel processo di aggregazione, gli atomi non perdono la loro identità; essi restano in contatto, giustapposti. 
  7. Secondo la teoria atomica tutte le differenze qualitative fra le varie sostanze composte vengono attribuite alle differenze di forma, di dimensione, di posizione, di distribuzione e di condizione di movimento degli atomi.

1.   L’atomo odierno non è più la particella elementare della materia.  Esso è costituito da un nucleo, che contiene protoni e neutroni, e dagli elettroni.   Gli elettroni sono particelle elementari e, insieme ai muoni, alla particella tau e a tre tipi di neutroni, formano la famiglia dei leptoni; i protoni ed i neutroni appartengono alla famiglia degli adroni e non sono particelle elementari e, come altre particelle, sono costituiti dai sei tipi di quark. I sei leptoni e i sei quark formano il modello standard dell’universo.
interazioni materia-antimateriaQuesti corpuscoli sono, comunque, solo una parte del quadro attuale delle particelle elementari perché bisogna ancora aggiungere le particelle corrispondenti alle forze di interazioni, il prototipo delle quali è il fotone per il campo elettromagnetico.  L’attuale visione fisica corpuscolare presenta dodici particelle elementari che formano la materia ordinaria e dodici particelle elementari che trasmettono la forza. Includendo la differenziazione dei quark in “colori” e le antiparticelle si arriva a sessanta.

2.   Per gli atomi si può ancora parlare di differente grandezza se si intende con questo termine la posizione media degli elettroni più distanti dal nucleo . Tutti gli elettroni hanno una distanza media dal nucleo, la vecchia orbita di Bohr, funzione del numero quantico principale.  In genere, tanto più alto è questo numero quantico tanto più questi elettroni sono “mediamente” più lontani dal nucleo.  Quindi un atomo con molti elettroni, e che riempie quindi dei gusci di valenza ad alto numero quantico principale, ha, in questo senso, un raggio maggiore.  Riguardo alla forma essa ha perso la rilevanza che aveva in ambito greco.  Gli orbitali atomici hanno ancora una loro “forma”, ma non si parla di “forma atomica”.  Come per le dimensioni, in ogni caso le forme possibili sono poche, non certo infinite.

3.   L’atomo odierno non è né impenetrabile né indivisibile ed è, in larga parte, costituito di vuoto.  La rimozione della proprietà d’impenetrabilità ha permesso di superare quello che per secoli è stato lo scoglio concettuale maggiore della visione atomica: la formazione degli aggregati.  L’atomo odierno non è indivisibile.  Apparemolecolantemente questa è la più grossa novità dell’atomo moderno, rendendo addirittura contraddittorio il nome, che, come è noto, l’etimologia fa risalire al termine greco “indivisibile”.  In realtà questa differenza in ambito chimico non esiste e, forse, l’indivisibilità è proprio l’unica proprietà dell’atomo chimico moderno ad essere conservata intatta dall’atomo classico.  Questa posizione fu bene espressa da Kekulé nell’Ottocento: “Anche se il progresso scientifico condurrà un giorno a una teoria della costituzione degli atomi chimici, per quanto importante tale conoscenza potrà essere per la generale filosofia della materia, essa porterà piccole differenze alla chimica. Gli atomi chimici saranno sempre i blocchi della costruzione chimica”.

4.   Gli odierni atomi sono diversi qualitativamente.   Per ogni elemento (a parte il problema degli isotopi) esiste un solo tipo di atomo, e questo è un risultato non banale e non spiegabile nell’ambito della meccanica classica, e gli atomi di un elemento sono diversi qualitativamente da quelli di un altro.  Dalton li aveva differenziati per peso; noi li differenziamo per costituenti e per la relativa struttura. Sull’importanza della “strutturazione” della materia, e del suo rapporto con la differenziazione “qualitativa”, torneremo abbondantemente nel libro e in questi lavori.

5.   Come evidenziato nel punto precedente, gli atomi odierni hanno già una loro differenza qualitativa.  Quella che osserviamo nei corpi macroscopici dipende tanto dalla loro differente natura, quanto dai movimenti, ma soprattutto dalle loro aggregazioni.

molecole6.   Gli atomi non sono “impenetrabili”. Nel momento della loro associazione essi si “compenetrano”, nel senso che gli elettroni di valenza (o alcuni di essi) diventano patrimonio comune della molecola.  L’esistenza di sostanze composte, realmente “nuove”, è diventata quindi comprensibile.  L’appartenenza degli elettroni all’intera molecola e non più ai singoli atomi rende impossibile una visione molecolare nei termini di aggregato di atomi.

7.   La necessità di trattare una teoria molecolare della materia, distinta da quella atomica, discende dalla negazione di questo punto.  Le differenze qualitative delle varie sostanze composte dipendono, ovviamente, dagli aspetti atomici, ma gli aggregati di atomi formano un insieme in sé unico, le molecole, talmente nuovo da avere un nome proprio e da essere nuovo soggetto di azione a cui riferire le proprietà macroscopiche.

 

Bibliografia

(1)  G. Villani, “Breve nota sul concetto di orbitale”, La Chimica nella Scuola , XXV, 4 (2003) 

 

7 risposte a L’atomo quantistico. Uno “strano oggetto”

  • Davide Ranieri scrive:

    Gentile signor Pierluigi, non c’è nessun errore di battitura: i neutrini sono particelle esistenti e ce ne sono tre tipi, mentre di neutroni ce n’è un tipo solo. Grazie

  • Davide Ranieri scrive:

    Gentile signor Pierluigi, non c’è nessun errore di battitura: i neutrini sono particelle esistenti e ce ne sono tre tipi, mentre di neutrini ce n’è un tipo solo. Grazie

  • mauritius scrive:

    editing necessario: “Gli elettroni sono particelle elementari e, insieme ai muoni, alla particella tau e a tre tipi di neutroni, formano la famiglia dei leptoni”.
    Immagino che si debba sostituire neutrini a neutroni
    😉

  • Villani scrive:

    Hai ragione. Mi era sfuggito.

  • Christian Parolini scrive:

    Buongiorno professore,

    volevo domandarle qual è la sua opinione sull’Interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica.

  • pierluigi scrive:

    Bello l’articolo…ma ho visto un errore di battitura: neutroni invece di neutrini al punto 1:

    1. L’atomo odierno non è più la particella elementare della materia. Esso è costituito da un nucleo, che contiene protoni e neutroni, e dagli elettroni. Gli elettroni sono particelle elementari e, insieme ai muoni, alla particella tau e a tre tipi di NEUTRONI, formano la famiglia dei leptoni

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