Come abbiamo capito che gli atomi esistono?

Paul M. Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University , conduttore di " Ask a This Webman " e " This Web Radio " e autore di " Your Place in the Universe " (Prometheus Books, 2018). Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights di Space.com .

Nel 1808, il chimico John Dalton sviluppò un argomento molto persuasivo che portò a una sorprendente realizzazione: forse tutta la materia (cioè le cose, le cose, gli oggetti) è fatta di minuscoli frammenti. Bit fondamentali. Bit indivisibili. Bit atomici. Atomi.

Il concetto era stato sospeso per alcuni millenni. Le culture antiche erano certamente consapevoli dell'idea generale che la materia fosse composta da elementi più fondamentali (sebbene fossero molto in disaccordo su cosa esattamente contasse come elemento) e sapevano che questi elementi si combinavano in modi interessanti e fruttuosi per creare cose complesse, come sedie e birra. Ma attraverso quei millenni, la domanda persisteva: se isolassi un singolo elemento e lo tagliassi a metà, poi tagliassi quelle metà a metà e così via, alla fine troverei un elemento il più piccolo possibile che non potrei più taglio? O andrebbe avanti all'infinito?

Dopo anni di attento esame, Dalton ha trovato una sorprendente relazione tra gli elementi. A volte, due elementi possono combinarsi per formare vari composti in più modi con rapporti diversi, come possono fare lo stagno e l'ossigeno. Ma le proporzioni di ogni elemento nelle varie combinazioni si riducevano sempre a numeri molto piccoli. Se la materia fosse infinitamente divisibile, senza il minimo bit possibile, allora qualsiasi proporzione dovrebbe essere consentita.

Invece, ha scoperto che una certa quantità di un elemento potrebbe combinarsi con una quantità uguale di un altro elemento. Oppure con due o tre volte l'altro elemento. Dalton ha trovato solo proporzioni semplici, ovunque, in tutti i casi. Se la materia fosse in definitiva indivisibile, se fosse fatta di atomi, allora sarebbero consentiti solo semplici proporzioni e rapporti quando si combinano gli elementi.

Masse brulicanti

Cento anni dopo, questa teoria "atomica" della materia non sembrava del tutto priva di senso. Una delle cose più difficili, tuttavia, era che se gli atomi esistevano davvero, erano troppo, troppo piccoli per essere visti. Come potresti provare l'esistenza di qualcosa che non potresti osservare direttamente?

Un indizio sull'esistenza degli atomi è venuto dai recenti studi di termodinamica . Per capire come funzionassero i motori termici insieme a tutti i relativi concetti come temperatura, pressione ed entropia, i fisici si resero conto che potevano vedere gas e fluidi come se fossero composti da una quantità quasi infinita di particelle minuscole, persino microscopiche. Ad esempio, la "temperatura" misura davvero il movimento medio di tutte quelle particelle di gas che colpiscono il tuo termometro, trasferendogli la loro energia.

Questo è stato piuttosto avvincente e Albert Einstein era un grande fan di questo tipo di fisica. Proprio come tutte le altre fisica di cui è diventato un fan, Einstein le ha rivoluzionate.

Era interessato, in particolare, al problema del moto browniano, descritto per la prima volta nel lontano 1827 da Robert Brown (da cui il nome). Se si lascia cadere un granello grosso all'interno di un fluido, l'oggetto tende a oscillare e saltare da solo. E dopo alcuni esperimenti eseguiti con cura, Brown si è reso conto che questo non ha nulla a che fare con l'aria o le correnti di fluido.

Il moto browniano era solo uno di quei fatti casuali e inspiegabili della vita, ma Einstein vide in questo un indizio. Trattando il fluido come qualcosa di composto di atomi, è stato in grado di ricavare una formula per quanto le innumerevoli collisioni delle particelle di fluido avrebbero spinto quel grano in giro. E mettendo questa connessione su un solido terreno matematico, è stato in grado di fornire un percorso per passare da qualcosa che puoi vedere (quanto il grano si muove in un dato periodo di tempo) a qualcosa che non puoi (la massa delle particelle del fluido).

In altre parole, Einstein ci ha dato un modo per pesare un atomo.

Questi "stati uniti"

E proprio quando le persone si stavano abituando alle dimensioni di questi minuscoli frammenti di materia, pensando che dovessero essere le cose più piccole possibili, qualcuno è venuto a complicarlo.

Parallelamente ad Einstein operava uno sperimentatore meravigliosamente dotato di nome JJ Thomson. Alla fine del 1800, fu rapito da spettrali fasci di luce noti come raggi catodici. Se si attaccano un paio di elettrodi all'interno di un tubo di vetro, si aspira tutta l'aria dal tubo, quindi si aumenta la tensione sugli elettrodi, si ottiene un bagliore effervescente che sembra emanare da uno degli elettrodi, il catodo, per l'esattezza . Quindi, raggi catodici.

Questo fenomeno ha sollevato interrogativi per i fisici. Cosa ha reso il bagliore? In che modo le cariche che, all'epoca, erano note per essere legate al concetto di elettricità ma altrimenti misteriose erano collegate a quel bagliore? Thomson ha decifrato il codice a) realizzando il miglior tubo a vuoto che chiunque abbia mai avuto e b) spingendo l'intero apparato all'interno di campi elettrici e magnetici superforti. Se le accuse fossero in qualche modo coinvolte in questa faccenda dei raggi catodici, allora faresti meglio a credere che ascolterebbero quei campi.

E ascolta che lo hanno fatto. Il raggio catodico si piegherebbe sotto l'influenza di campi elettrici e magnetici. Affascinante! Ciò significava che il pezzo luminoso era collegato alle accuse stesse; se la luce fosse in qualche modo separata dalle cariche, allora navigherebbe dritta, indipendentemente dall'interferenza del campo. E significava anche che i raggi catodici erano fatti della stessa materia dell'elettricità.

Confrontando la quantità di deflessione dei raggi nei campi elettrici e nei campi magnetici, Thomson potrebbe ricavare alcuni calcoli e elaborare alcune proprietà di queste cariche. Ed è qui che JJ si è guadagnato il premio Nobel: questi "corpuscoli" (parola sua) erano circa 2.000 volte più piccoli dell'idrogeno, l'elemento più leggero conosciuto e quindi l'atomo più piccolo. Questi "elettroni" (parola di tutti) erano davvero notevoli.

Argento e oro

Spettava alla generazione successiva di scienziati risolvere gli enigmi sollevati dai risultati di Thomson. Ancora più importante: come può qualcosa essere più piccolo di un atomo e cosa significa per la struttura degli atomi stessi?

È stato l'ex studente di Thomson, Ernest Rutherford, insieme ai suoi stessi studenti Hans Geiger ed Ernest Marsden, a decidere di sparare alle cose d'oro per vedere cosa sarebbe successo. Gli scienziati hanno scelto l'oro perché potevano creare fogli molto sottili del materiale, il che significa che la banda poteva essere certa che stavano sondando la fisica atomica. E hanno sparato minuscoli proiettili: particelle alfa, che sono atomi carichi di elio. Queste particelle sono piccole, pesanti e veloci i proiettili scientifici perfetti.

Mentre i ricercatori si impegnavano nella pratica del bersaglio, la maggior parte delle particelle alfa navigava attraverso l'oro come se fosse carta velina. Ma ogni tanto le particelle sbandavano in una direzione casuale. E una volta ogni tanto (circa 1 su 20.000 colpi, e sì, gli scienziati hanno contato manualmente), una particella alfa rimbalzava sull'oro, sbattendo indietro nel modo in cui era arrivata.

Sorprendente! Cosa ci dicevano queste piccole particelle sugli atomi d'oro? L'unica spiegazione sensata, hanno concluso i ricercatori, era che la stragrande maggioranza della massa dell'atomo era concentrata in un volume molto piccolo. E questo "nucleo" deve essere caricato positivamente. Poiché la carica totale dell'atomo doveva essere neutra, gli elettroni dovevano essere molto molto piccoli e nuotare, orbitare o danzare attorno a quel nucleo in una nuvola sciolta.

Quindi, quando le particelle alfa sono esplose, hanno quasi sempre incontrato questa ragnatela completamente vuota. Ma una particella gravemente sfortunata potrebbe distogliere lo sguardo o, peggio, colpire frontalmente il nucleo, alterando drasticamente la traiettoria del proiettile.

Così, quasi cento anni dopo che Dalton sostenne in modo definitivo l'esistenza dell'atomo indivisibile, e mentre Einstein forniva un modo per misurare direttamente quegli atomi, Thomson e Rutherford scoprirono che l'atomo non era affatto indivisibile. Invece, era fatto di pezzi ancora più piccoli.

Quindi, nello stesso momento in cui abbiamo solidificato la teoria atomica, abbiamo avuto il nostro primo assaggio del mondo subatomico. Da lì, è diventato molto più disordinato.

  • Gli atomi ultrafreddi forniscono informazioni sulla drammatica espansione dell'Universo primordiale
  • Questi atomi aggrovigliati "spettrali" hanno appena portato l'informatica quantistica un passo più vicino
  • Gli scienziati creano "Atom Art" a tema "Star Trek"

Scopri di più ascoltando l'episodio "Come abbiamo capito che le cose sono fatte di atomi?" sul podcast "Ask a This Webman", disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com . Grazie a Bill S. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter . Seguici su Twitter @Spacedotcom e su Facebook .

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