Viaggio nella materia, attraverso un'infinità di particelle

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 PIÚ MODERNA TECNOLOGIA A SERVIZIO DELLA FISICA: LHC

4.1 CHE COS’É IL LARGE HADRON COLLIDER?

4.2 VERSO LA VERIFICA DELLE TEORIE MODERNE

4.3 GLI ESPERIMENTI

4.4 I LIMITI DELLA MACCHINA 3

4

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

2

qEL

moto parabolico che il campo E imprimeva agli elettroni, (1), dove v è la velocità di ogni



y 2 mv

singolo elettrone, m la sua massa, q la sua carica, L la lunghezza dei piatti. Dal momento che dalla

terza condizione si deduce che la forza impressa dal campo elettrico è uguale alla forza impressa dal

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. 5

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 sopravissute 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: la

sua adesione all’epicureismo, adesione espressa senza mezzi termini anche nella sua opera

massima, si pone in contrasto con il Cristianesimo e con tutte le altre religioni, perché esse si

oppongono al cammino di ogni uomo verso l’atarassia, la felicità spirituale suprema caratterizzata

dall’aponia o assenza di turbamento fisico.

Comunque sia stata la sua vita, non gli si può, però, precludere il riconoscimento a grande poeta

dell’antichità. La grande opera riconosciuta come sua, il De Rerum Natura, è un poema didascalico

(si veda il paragrafo 2.3) diviso in sei ampi libri in cui l’autore espone, argomentando con ricche

spiegazioni ed esempi, la dottrina epicurea. Lucrezio si rivolge direttamente a Memmio, ma dietro a

questo preciso destinatario si cela un pubblico ben più largo: è a tutto il genere umano che queste

parole si rivolgono, umanità a cui l’autore vuole indicare la via della felicità. Memmio, per quanto

ne sappiamo, fu, probabilmente, il protettore di Lucrezio, ma il fatto che nel corso dell’opera la

presenza di quell’uomo vada riducendosi, fa presupporre che i rapporti tra i due siano deteriorati,

forse a causa della vicenda di corruzione in cui Memmio era coinvolto e per la quale fu costretto a

rifugiarsi in esilio ad Atene.

Il De Rerum Natura è, come già detto, diviso in sei libri, organizzati in tre diadi, ovvero divisi in

tre gruppi di due libri ciascuno. L’opera illustra, secondo i princìpi della dottrina epicurea, i

meccanismi che stanno alla base di ogni forma di esistenza, dalla materia al cosmo, passando

attraverso gli esseri viventi. 7

2.2 TEORIA “ATOMICA-EPICUREA”

La prima diade è sicuramente quella che meglio illustra il comportamento degli atomi e il loro

aggregarsi nella materia. Il primo libro inizia con un’invocazione alla dea Venere, riconosciuta

come musa chiamata ad assistere il lavoro del poeta. A questa invocazione fa seguito una prima

presentazione degli atomi, i primordia rerum, cioè gli elementi primi che costituiscono, attraverso

le loro interazioni, la materia.

Nam tibi de summa caeli ratione deumque Infatti inizierò a parlare della suprema teoria del cielo e

disserere incipiam et rerum primordia pandam, 55 degli déi e a descrivere gli atomi delle cose,

unde omnis natura creet res, auctet alatque, da cui la natura genera ogni cosa, la accresce e l’alimenta,

quove eadem rursum natura perempta resolvat, e dove li disgrega una volta distrutti,

quae nos materiem et genitalia corpora rebus atomi che noi siamo soliti chiamare materia e corpuscoli

reddunda in ratione vocare, et semina rerum generatori delle cose e semi delle cose, nel descrivere la

appellare suemus, et haec eadem usurpare 60 nostra dottrina, e siamo soliti chiamarli ingiustamente

corpuscoli primi, poiché tutte le cose traggono origine da

.

corpora prima, quod ex illis sunt omnia primis quelli.

Gli atomi proposti da Lucrezio e, prima di lui, da Epicuro hanno svariate caratteristiche. La prima