Particelle subatomiche, Rutherford, Bohr

Le particelle subatomiche

Nel 1897 Thomson identificò gli elettroni, particelle con carica elettrica negativa. Nel 1904 propose il primo modello di atomo facendo riferimento a particelle subatomiche, cioè a corpi più piccoli degli atomi. Egli ipotizzò che l’atomo, la cui carica elettrica era nulla, fosse una sferetta carica positivamente, all’interno del quale erano disposti gli elettroni negativi. Successivamente furono scoperti il protone, particella con carica elettrica positiva, e il neutrone, privo di carica elettrica. Per discutere delle dimensioni e del peso dell’atomo e dei suoi costituenti viene usato il picometro e l’unità di massa atomica.

Rutherford e l’atomo nucleare come sistema planetario

Nel 1911 Rutherford fece una serie di esperimenti da cui concluse che l’atomo è costituito da una parte centrale con carica elettrica positiva, chiamata nucleo, in cui è concentrata quasi tutta la massa, e da una parte periferica con carica elettrica negativa perché ruotano gli elettroni. Queste due cariche si bilanciano e l’atomo nel complesso è neutro. L’esperimento consistette nel lanciare contro una finissima lamina d’oro un fascio di particelle alfa con carica positiva ed emesse da una fonte radioattiva. Egli notò che quasi tutte le particelle attraversavano la lamina perché non incontravano ostacoli, passavano quindi attraverso spazi vuoti oppure colpivano solo elettroni, e solo alcune particelle venivano deviate o riflesse. Questo modello atomico è noto come modello planetario, perché ricorda un minuscolo Sistema solare, col Sole al centro e i pianeti che girano attorno. Inoltre la forza elettrostatica del modello atomico tende ad attirare tra loro nucleo ed elettroni e per Rutherford questa forza è uguale e contraria alla forza centrifuga: la forza centrifuga spostava l’elettrone verso l’esterno, quella elettrostatica verso il nucleo. Questo equilibrio di forze è uguale a quello del sistema solare. Successivamente si dovette abbandonare questa ipotesi. La differenza stava nel fatto che gli elettroni sono corpi elettricamente carichi che, all’interno di un campo elettrico, emettono onde elettromagnetiche e quindi energia. Quindi l’elettrone, muovendosi in questo campo elettrico, con l’emissione di onde elettromagnetiche avrebbe visto diminuire la propria energia. Se l’elettrone perdesse la sua energia cinetica, la forza centrifuga diminuirebbe e la forza elettrostatica rimarrebbe la stessa, l’elettrone cadrebbe sul nucleo e si unirebbe con i nucleoni. Poiché ciò non avveniva, questo modello andava abbandonato.

I quanti di energia e l’atomo di Bohr

Il fisico Bohr, per risolvere il problema del movimento e della localizzazione degli elettroni, pensò di utilizzare la teoria quantistica: nei processi fisici l’energia non può essere trasferita in quantità piccole a piacere, ma in quantità ben definite, dette quanti. Per esempio per salire un gradino alto 10 cm si solleva il piede di un’altezza per lo meno pari all’altezza del gradino; se non si fa non si sale, nemmeno se si solleva il piede di 9 cm. Quindi la minima quantità di energia, che corrisponde all’altezza del gradino è ciò che si può definire quanto di energia. Inoltre Bohr pensava che gli elettroni potevano ruotare intorno al nucleo solo su particolari orbite circolari. Egli si concentrò sull’atomo di idrogeno e individuò le distanze alle quali l’unico elettrone presente in questo atomo poteva trovarsi. Il valore in pm del raggio r delle orbite era r=53n² dove n è un numero intero positivo da 1 a infinito, chiamato numero quantico principale. Secondo questo modello, chiamato atomo di Bohr, gli elettroni non possono distribuirsi in qualsiasi punto dello spazio atomico, ma solo a particolari distanze. Se un elettrone abbandona un’orbita, cioè cambia il valore n, deve trasferirsi su un’altra orbita a distanza diversa. Per portare un elettrone da un’orbita più piccola a una più grande, cioè per allontanarlo dal nucleo, bisogna vincere questa forza di attrazione, quindi bisogna fornirgli energia. L’elettrone che si viene a trovare su un’orbita più ampia ha perciò l’energia che aveva prima, più quella necessaria per il passaggio.