Le prime idee sulla struttura atomica

 

 La conferenza del Prof. Giulio Peruzzi, docente presso il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Padova, che ha tenuto una presentazione dal titolo “Dall’ultrapiccolo all’ultragrande – viaggio nella fisica delle particelle” il 6 giugno scorso presso l’Osservatorio Astronomico del Gruppo Astrofili Salese Galileo Galilei (sito web: http://astrosalese.interfree.it/body.html) mi ha dato spunto per una serie di articoli dedicati alle prime idee sulla struttura atomica. In seguito, riporterò anche alcuni risultati sul grande esperimento in corso al CERN di Ginevra con LHC.

Dopo la scoperta dell’elettrone avvenuta nel 1897, Joseph John Thomson ipotizzò un primo modello atomico complessivamente neutro in cui la carica positiva occupava un volume molto maggiore di quello occupato dalla carica negativa.

Il modello atomico proposto da Thomson nel 1903 era una sfera positiva, uniformemente carica (una sorta di pasta del panettone) di raggio pari al raggio atomico. Gli elettroni erano confinati nella sfera come l’uvetta nel panettone. In modo ironico potremmo pensare che Thomson, in quanto inglese, pensasse più al pudding che panettone, tipicamente itialiano.

Modello a panettone di Thompson.

Le prime ricerche sulla struttura dell’atomo furono eseguite tra il 1909 e il 1911 dal gruppo di Ernest Rutherford (1871-1937), un neozelandese che aveva dato prova della sua abilità come sperimentatore all’Università McGill di Montreal, nel Canada, e si era poi trasferito in Inghilterra, all’Università di Manchester.

Rutherford era particolarmente interessato allo studio delle radiazioni emesse da sostanze radioattive, soprattutto ai raggi alfa, particelle cariche positivamente, più in particolare atomi di elio ioizzati con carica positiva e massa circa 7500 volte superiore a quella dell’elettrone. Le particelle alfa emesse da parte di alcune sostanze radioattive hanno intensità ed energia abbastanza elevate da permettere di usarle, come se fossero dei proiettili, per irradiare campioni di sostanze. Le ricerche compiute dal gruppo di Rutherford appartengono a una categoria di esperimenti che ha assunto grande importanza nella fisica atomica e nucleare: gli esperimenti di diffusione.

In questi esperimenti, un fascio ben collimato di proiettili (particelle alfa, elettroni, raggi X, ecc.) viene inviato sul bersaglio, che di solito è una lamina sottile o una pellicola di qualche materiale. Le particelle, urtando l’ostacolo, vengono deviate o “diffuse”, in seguito all’interazione con gli atomi del bersaglio; quindi, se esaminiamo il loro moto dopo l’urto, possiamo ricavare informazioni sulle proprietà delle particelle incidenti, degli atomi bombardati, o dell’interazione reciproca fra atomi e particelle.

Rutherford notò che, quando un fascio di particelle alfa urtava un foglio sottile di oro (dello spessore di 10^-4 cm) la maggior parte passava indisturbata e una certa frazione veniva deviata. La deviazione è dovuta all’azione delle forze elettrostatiche di interazione fra le particelle alfa, cariche positivamente, e i costituenti dell’atomo dotati di carica. Il numero di particelle alfa deviate di un angolo relativamente grande, per esempio maggiore di 10°, è tuttavia molto più grande di quello che ci si aspetterebbe calcolando la deviazione nell’ipotesi che le cariche positive e negative siano distribuite uniformemente negli atomi del foglio metallico.

Il modello dell’atomo e la deviazione delle particelle alfa in base alla teoria di Rutherford. Disponibile su: http://www.edurete.org/public/upload/rutherford2.jpg .

Un assistente di Rutherford, Hans Geiger, trovò addirittura che una particella alfa su 8000 era deviata di un angolo maggiore di 90°, cioè riflessa all’indietro dal foglio. Questo risultato era del tutto inaspettato. Qualche anno più tardi Rutherford scrisse:

“[…] Avevo osservato la diffusione delle particelle alfa e il Dr. Geiger aveva esaminato accuratamente il fenomeno nel mio laboratorio, trovando che, in lamine sottili di metallo pesante, la deviazione era di solito piccola, dell’ordine di un grado. Un giorno, Geiger venne a domandarmi: “Non credi che il giovane Marsden, al quale sto insegnando a usare le tecniche radioattive, dovrebbe cominciare una piccola ricerca?”. Ci avevo pensato anch’io, e così risposi: ”Perché non gli diciamo di vedere se qualche particella alfa può essere deviata di un grande angolo?”.
Posso dirvi in confidenza che io non credevo che questo fosse possibile, dato che sapevamo che la particella alfa era una particella pesante molto veloce, con un’energia cinetica molto elevata, e si poteva dimostrare che, se la diffusione all’effetto cumulativo di numerose piccole deviazioni, la probabilità che una particella alfa venisse respinta all’indietro era piccolissima. Poi ricordo che due o tre giorni dopo Geiger venne da me tutto eccitato dicendo: “Siamo riusciti a osservare la diffusione all’indietro di alcune particelle alfa…”. Fu senz’altro la cosa più incredibile che mi sia mai capitata nella vita. Era quasi altrettanto incredibile che se avessi sparato un proiettile da 381 millimetri contro un pezzo di carta velina, e mi fosse rimbalzato addosso. Riflettendo, capii che questa grande deviazione doveva essere il risultato di un unico urto, e quando feci i calcoli vidi che era impossibile ottenere un risultato di quell’ordine di grandezza a meno di considerare un sistema in cui la maggior parte della massa atomica fosse concentrata in un minuscolo nucleo. Fu allora che ebbi l’idea di un atomo con un nucleo piccolo e pesante, dotato di carica”.

Continua…
Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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