Viaggio nella materia, attraverso un'infinità di particelle

Un viaggio nella materia, attraverso un’infinità di particelle

di

Umberto Querzè

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Sommario:

1. Scoperta del mondo atomico e subatomico

1.1 Scoperta dell’elettrone…

1.2 …del protone e del neutrone

1.3 Un passo indietro: scoperta degli atomi

2. Lucrezio e i “Primordia rerum”

2.1 Vita e opere di Lucrezio

2.2 Teoria “atomica-epicurea”

2.3 Stile: poesia didascalica fondata sull’analogia

3. Gli atomi e la fantasia di Italo Calvino

3.1 Vita e opere di Italo Calvino

3.2 “Le cosmicomiche”

4. La più moderna tecnologia a servizio della fisica: LHC

4.1 Che cos’è il Large Hadron Collider?

4.2 Verso la verifica delle teorie moderne

4.3 Gli esperimenti

4.4 I limiti della macchina 3

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1. Scoperta del mondo atomico e subatomico

1.2 Scoperta dell’elettrone…

La scoperta del mondo subatomico, ovvero di particelle come elettroni e protoni, è una conquista della scienza raggiunta negli anni a cavallo tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX.

Uno dei primi successi in questo settore è stato il ritrovamento dell’elettrone, il cui nome fu in realtà introdotto già nel 1874 da George Stoney (1826-1911), che, pur solamente a livello di ipotesi, non avendo mai verificato sperimentalmente la sua esistenza, se ne servì per i suoi studi riguardanti l’elettrochimica. Il ritrovamento di questa particella è stato, però, datato al 1897, anno in cui J. J. Thomson (1856-1940) svolse, all’interno del Laboratorio Cavendish dell’Università di Cambridge, un importante esperimento sul tubo catodico, esperimento che lo ha portato a divenire famoso proprio come scopritore dell’elettrone.

Thomson riuscì a determinare il rapporto massa/carica degli elettroni, utilizzando l’azione concomitante di un campo elettrico e di uno magnetico, agenti in una stessa zona e disposti in modo che le loro linee di forza fossero perpendicolari tra loro e alla direzione di moto delle particelle stesse, prodotte da un filamento incandescente situato nell’estremità del tubo a vuoto (il catodo in figura).

Agendo sull’intensità dei due campi, Thomson poté misurare per via indiretta la velocità degli elettroni e quindi il rapporto m/q: in primo luogo pose il campo elettrico E=0 e il campo magnetico B=0, così da poter osservare la posizione del fascio non deflesso; successivamente applicò un campo elettrico E, misurando sullo schermo rivelatore la posizione del fascio dopo questo primo stimolo; infine, senza eliminare E, aggiunse un campo magnetico B di cui regolò l’intensità per riportare la deflessione del fascio a zero.

La conclusione empirica dello scienziato fu che la deflessione risultava essere, secondo il moto parabolico che il campo E imprimeva agli elettroni, (1), dove v è la velocità di ogni singolo elettrone, m la sua massa, q la sua carica, L la lunghezza dei piatti.

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qEL



y 2 mv

Dal momento che dalla terza condizione si deduce che la forza impressa dal campo elettrico è uguale alla forza impressa dal campo magnetico, Thomson ottenne che: (2).

E

   

q E q vB sin 90 v

campo magnetico, Thomson ottenne che: (2). Sostituendo la (2) alla

B

2 2

m B L



(1): .

q 2 yE

1.3 …Del protone e del neutrone

Il protone è una particella dotata di carica elettrica positiva che può esistere libera o legata in un nucleo atomico. La sua scoperta, avvenuta nel 1919, viene generalmente attribuita a Ernest Rutherford (1871-1937), anche se, ciò che realmente ipotizzò e scoprì il chimico inglese fu che in un atomo, la maggior parte della massa era concentrata in una particella di volume molto piccolo, particella che egli definì nucleo.

Il protone è legato al nome di Rutherford perché egli verificò sperimentalmente che il nucleo, che aveva scoperto, aveva carica positiva. L’esistenza del protone era stata ipotizzata anche da un fisico tedesco, Eugene Goldstein (1850-1930), per spiegare i suoi esperimenti.

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Il neutrone è, invece, una particella subatomica senza carica elettrica, scoperta nel 1932 da James Chadwick (1891-1974) grazie ai contributi di altri scienziati come Bothe, Beaker e M.me Curie.

Grazie a tutti questi scienziati si arriva così alla scoperta che i nuclei atomici degli elementi sono composti da protoni e neutroni.

Queste prime scoperte, nel mondo subatomico, hanno dato il via a una fisica della materia e delle particelle, che ad oggi ha enumerato una serie di successi e ha catalogato una grande quantità di particelle che compongono la materia.

1.4 Un passo indietro: scoperta degli atomi

Ma quando è stato scoperto l’atomo? Una prima risposta precisa e scientifica porta al XIX secolo, più precisamente nel 1808, anno in cui l’inglese John Dalton espresse la prima (vera) teoria atomica per spiegare le leggi delle combinazioni chimiche ovvero la legge di conservazione della massa e la legge delle proporzioni definite elaborate, rispettivamente, da Lavoisier e Proust.

La prima delle due leggi si riassume nella frase “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”, concetto che, in pratica, nega delle variazioni (perdita o acquisto) di massa nelle reazioni chimiche.

La seconda legge è riassumibile con questo pensiero di Proust “…un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante”: in ogni composto chimico, gli elementi che lo compongono sono sempre in un rapporto di massa costante.

A queste due leggi se ne aggiunge un’altra, quella proposta dallo stesso Dalton, nel 1803, che, basandosi sui suoi esperimenti, nei quali faceva reagire la stessa quantità di carbonio con diverse quantità di ossigeno, formulò quella che è definita la terza legge fondamentale della chimica, la legge delle proporzioni multiple: “se due elementi si combinano tra loro, formando composti diversi, le quantità di uno di essi, che si combinano con una quantità fissa dell’altro, stanno fra loro in rapporti razionali, espressi da numeri interi e piccoli”.

Basandosi, quindi, sia sui risultati dei propri esperimenti, sia su quelli degli altri due scienziati, Dalton arrivò alla conclusione che la materia dovesse essere discontinua e formata da una serie di particelle infinitamente piccole, ma finite e indistruttibili: solo così, infatti, le leggi della chimica, che avevano trovato conferma dai dati ottenuti sperimentalmente, potevano essere valide.

Gli atomi proposti dal chimico inglese, oltre ad essere piccolissimi, erano anche indivisibili e non creabili, dotati, inoltre, di alcune proprietà come, ad esempio, l’essere uguali tra di loro (per ogni elemento), ma diversi, se diversi sono gli elementi considerati.

La teoria atomica proposta da Dalton segnò una svolta, poiché introdusse un nuovo modo di vedere la natura della materia e degli atomi, che, da circa 2500 anni prima fino a quel momento, erano stati considerati un concetto esclusivamente filosofico: alcuni filosofi greci avevano ipotizzato l’esistenza di atomi e la loro importanza come costituenti della materia, ma nessuno, prima di Dalton, era riuscito, avvalendosi di basi scientifiche ed empiriche (ovvero ciò che compone una ricerca scientifica), ad arrivare a tanto e ad elaborare una teoria a riguardo.

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2. Lucrezio e i “Primordia rerum”

2.1 Vita e opere di Lucrezio

Fra i primi filosofi della storia che introdussero una teoria a riguardo degli atomi e della loro natura ci fu Epicuro. La sua teoria fu ripresa e scritta in versi da Lucrezio, nel suo grandioso poema sulla natura delle cose.

Della vita di Tito Lucrezio Caro non ci sono pervenute molte informazioni e quelle poche, che sono sopravvissute al passare del tempo, sono acquisizioni indirette, fatte per mezzo delle opere di altri letterati antichi.

Cicerone (106-43 a.C.), per esempio, accenna nelle Epistulae ad familiares ad un’opera di Lucrezio (probabilmente proprio il De Rerum Natura) che starebbe curando.

San Girolamo (347-420 d.C.) diffuse la notizia che il poeta fosse nato nel 94 a.C e nel Chronicon troviamo queste parole:

Titus Lucretius Carus nascitur, qui postea a

È nato Tito Lucrezio Caro, il quale dopo essere

poculo amatorio in furorem versus et per

stato scosso da un filtro d’amore e (dopo) aver

intervalla insaniae cum aliquot libros

scritto alcuni libri durante gli intervalli della

conscripsisset, quos postea Cicero emendavit,

malattia (la pazzia), che Cicerone pubblicò in

sua manu se interfecit anno 44

seguito, si uccise di propria mano a 44 anni.

Il maestro di San Girolamo, il grammatico Elio Donato, afferma, invece, che Lucrezio sarebbe nato nel 98 a.C. per poi morire nel 55 a.C., all’età di quarantaquattro anni, come appunto si può leggere nelle righe sopra riportate.

L’altro elemento, che possiamo cogliere dal testo, è, inoltre, l’informazione riguardante la presunta pazzia di Lucrezio.

Fu, probabilmente, proprio San Girolamo a creare la leggenda sulla pazzia di Lucrezio, pazzia che, da ciò che si può capire, sembrerebbe derivargli dall’assunzione di un filtro d’amore.

Gli studiosi, ancora oggi, non sono giunti a capo del mistero su questa storia, mistero che l’ha fatta diventare nel corso del tempo sempre più una leggenda.

C’è persino chi pensa che questa invenzione sia stata usata dai traduttori cristiani per screditare la figura di Lucrezio.