Benvenuti al Carnevale della Chimica n.34!
Il tema di questa edizione è, come sempre avviene nei Carnevali ospitati su Scienza e Musica, ampio e ricco di sfaccettature: "Atomi, ioni e particelle".
Prima di osservare la sfilata dei meravigliosi contributi arrivati, come tradizione, il Carnevale si apre con una corposa introduzione sul tema prescelto.
This is the beginning!
La parola "atomo" deriva dall'aggettivo greco àtomos, ovvero "indivisibile", "privo di parti".
Il concetto di atomo è davvero molto antico: diversi filosofi greci avevano infatti congetturato l'esistenza di un mattone fondamentale della natura, il quale risultasse appunto indivisibile.
Il fondatore, nel V secolo a.C., della scuola atomistica fu Leucippo di Mileto, nome tuttavia poco noto al grande pubblico, in quanto completamente oscurato da quello del suo allievo Democrito di Abdera (460 a.C. - 370 a.C.).
Democrito, con le sue idee, riuscì in un certo senso a fondere insieme le 2 grandi scuole di pensiero che sussistevano all'epoca: la visione di Eraclito e quella di Parmenide.
Per Eraclito di Efeso (535 a.C. - 475 a.C.) nel mondo non esiste nulla che stia fermo: tutto quanto è in incessante movimento.
Non a caso egli viene particolarmente ricordato per il motto pánta rhêi, ossia "tutto scorre".
Secondo tale singolare prospettiva, non sarebbe possibile bagnarsi 2 volte nel medesimo fiume, giacché le sue acque si rinnovano in modo continuo.
L'antitesi di Eraclito fu appunto Parmenide di Elea, assieme alla sua concezione dell'Essere che "è e non può non essere".
Sì, detto così sembra proprio uno scioglilingua!
In pratica, quello che Parmenide intendeva dire è che esiste solamente un qualcosa denominato "Essere", il quale possiede determinate peculiarità:
- è eterno;
- è finito;
- è ingenerato e imperituro;
- è immutabile e immobile.
Democrito riuscì ad unificare 2 visioni filosofiche così discordanti proprio mediante il concetto di atomo.
Infatti, a detta del filosofo, anche se un oggetto appare immobile e statico, la sua struttura "intima" è costituita da atomi, intervallati dal vuoto, i quali si muovono senza sosta.
La teoria degli atomi ebbe anche molti critici, tra cui Aristotele, il quale sosteneva fermamente che la materia potesse essere suddivisa all'infinito in particelle sempre più piccole ed uguali fra loro.
L'idea dell'atomo venne ripresa anche in epoca latina, in particolare da Epicuro (341 a.C. - 271 a.C.).
Per Epicuro e i suoi discepoli nulla si generava dal nulla, e per le cose non c'era né inizio né fine.
Il movimento degli atomi nel vuoto risultava soggetto soltanto al caso e alla necessità.
Il caso rappresentava il risultato delle leggi meccaniche che regolavano le traiettorie degli atomi, i quali potevano muoversi in qualsivoglia direzione.
La necessità designava invece la conseguenza della loro tendenza naturale a compiere bruschi spostamenti nel procedere in linea retta, il che generava un movimento caotico.
Epicuro ebbe un importante discepolo nel poeta Lucrezio, che, nel suo poema epico-didascalico De rerum natura, fornì un'approfondita descrizione della teoria atomica, tanto che il primo dei 6 libri che compongono la maestosa opera ha come sottotitolo "Gli atomi".
Riporto un significativo frammento, tratto appunto dal libro I:
"Tra i corpi, alcuni sono semplici e altri composti. I corpi semplici, o "atomi", sono indistruttibili proprio per la loro semplicità: essi resistono a ogni forza che cerchi di scomporli, non essendo composti. Però, è difficile credere all'esistenza di cose indecomponibili. Infatti, i mattoni dei muri sono permeabili ai fulmini celesti e alle voci umani. Il fuoco permea e arroventa il ferro, spezza le pietre, scioglie il duro oro e fonde il gelido bronzo. Una coppa d'argento si scalda e si raffredda, tenuta in mano o riempita di vino fresco. Sembra dunque che al mondo non ci sia niente di semplice, ma la ragione e la natura delle cose ci diranno altrimenti. Presta dunque molta attenzione ai prossimi argomenti, nei quali ti dimostro l'esistenza degli atomi, le loro proprietà, e il modo in cui essi costituiscono tutte le cose del mondo. Anzitutto, abbiamo visto che la materia è diversa dal vuoto: le loro nature sono distinte e separate, perché dove c'è materia non c'è vuoto, e dove c'è vuoto non c'è materia. I corpi semplici devono dunque essere materiali e privi di vuoto. I corpi composti, invece, contengono del vuoto circondato da materia. Se non ci fosse del vuoto, tutto sarebbe materia. E se non ci fosse materia, tutto sarebbe vuoto. Ma poiché non ci sono né il pieno assoluto, né il vuoto assoluto, devono esserci atomi capaci di aggregarsi per delimitare il vuoto. E questi atomi sono indistruttibili, perché si può distruggere solo ciò che contiene del vuoto. Anzi, quanto più vuoto contiene un corpo, tanto più è distruttibile, e vulnerabile alle cause della distruzione.
Gli atomi, invece, che non contengono vuoto, non sono composti, e non possono né essere divisi, né soccombere a elementi distruttori come l'acqua o il fuoco: dunque, sono eterni. D'altronde, se la materia passata non fosse stata eterna, nel corso infinito del tempo sarebbe stata completamente distrutta, e la materia presente avrebbe dovuto essere ricreata dal nulla. Ma abbiamo già stabilito che nulla si crea, e nulla si distrugge. Dunque, gli atomi devono essere immortali, per permettere il farsi e disfarsi delle cose."
Lucrezio, come avete potuto constatare dal passo appena riportato, asseriva che i corpi fossero aggregati di atomi separati dal vuoto.
Specificava inoltre che più vuoto essi contengono, più sono leggeri e distruttibili.
Tale teoria venne ripresa, nel 1704, nientemeno che da Isaac Newton (1642-1727).
Costui, nella sua opera Ottica e, in particolare, nella Proposizione II,8, si pose il problema di determinare la quantità di vuoto presente in un corpo, riscontrando che se a ciascun livello di aggregazione le parti che si aggregano occupano uno spazio pari a quello del vuoto che le separa, allora la quantità di vuoto cresce in modo esponenziale rispetto al numero dei livelli.
Nello specifico, al primo è pari a 1/2, al secondo 3/4, al terzo 7/8, al quarto 15/16 e così via.
In altri termini, più la struttura gerarchica di un corpo risulta stratificata, maggiore è il vuoto che essa contiene.
Newton capì dunque che "la causa della riflessione non è che le particelle di luce rimbalzano sulle parti solide dei corpi", in quanto essi contengono molto più vuoto di quanto si potesse immaginare.
Nei primi anni del XX secolo, a Manchester, il fisico e chimico neozelandese Ernest Rutherford (premio Nobel per la Chimica nel 1908) compì diversi esperimenti per sbrogliare una volta per tutte questa intricata questione e capire quanto vuoto contenesse un atomo.
La questione è ben sottolineata da un aneddoto (riportato in Rutherford, Simple Genius di David Wilson), raccontato dallo stesso Rutherford, riguardo delle giornate del 1909 che avrebbero cambiato la storia della scienza:
"Un giorno Geiger venne da me e mi chiese: “Non pensi sia ora che il giovane Marsden cominci a seguire un suo piccolo progetto di ricerca?”. Be'...anch'io ci avevo pensato, risposi. “Perché non gli facciamo verificare se qualche particella alfa può subire deflessioni a grandi angoli?”. 2 o 3 giorni dopo Geiger tornò da me in uno stato di grande agitazione: “Siamo riusciti ad acciuffare alcune delle particelle alfa mentre rimbalzano indietro!"...È stata la cosa più sbalorditiva che mi sia mai capitata. Era incredibile, più o meno come sparare un proiettile calibro 381 contro un foglio di carta velina, vederselo tornare indietro e poi esserne colpito."
Né Rutherford né Geiger avevano compreso pienamente cosa fosse successo nel seminterrato, in quel fatidico giorno del 1909.
L'incredibile evento fu l'apice di una serie di esperimenti sullo scattering delle particelle alfa.
In parole semplici, lo scattering (detto anche diffusione) altro non è che un fenomeno in cui onde oppure particelle vengono deviate a causa di un urto con altre particelle o onde, un po' come succede alle palle da biliardo.
Che cos'è invece una particella alfa?
Era una domanda che assillava Rutherford dopo che aveva scoperto che i raggi alfa erano particelle dotate di carica positiva che venivano deflesse da intensi campi magnetici.
Il fisico neozelandese riteneva che una particella alfa fosse uno ione di elio, ovvero un atomo di elio che aveva perso 2 elettroni, ma, fino a quei fondamentali esperimenti assieme al giovane Hans Geiger, non aveva trovato delle prove concrete che confermassero la sua teoria.
La svolta in tal senso avvenne nell'estate del 1908, periodo in cui i 2 scienziati confermarono che una particella alfa fosse effettivamente un atomo di elio che aveva perduto 2 elettroni, ossia, in simboli, 4He2+.
E furono proprio le particelle alfa ad aiutare Rutherford nell'investigazione della struttura dell'atomo.
"La diffusione è il diavolo" aveva asserito il fisico mentre cercava di smascherare, insieme a Geiger, la particella alfa.
Lo scienziato aveva osservato per la prima volta il particolare fenomeno di scattering 2 anni prima a Montreal, quando alcune particelle alfa che avevano attraversato un foglio di mica erano state lievemente deflesse dalla loro traiettoria rettilinea, producendo una sfocatura su una lastra fotografica.
Rutherford era fermamente deciso ad approfondire la questione ed ebbe l'occasione giusta a Manchester.
Egli, una volta giunto a Manchester, aveva infatti stilato una lista di potenziali argomenti di ricerca e affidò appunto a Geiger il compito di indagare sulla diffusione delle particelle alfa.
I 2 scienziati progettarono assieme un semplice esperimento atto a misurare le scintillazioni, ossia i minuscoli lampi di luce prodotti dalle particelle alfa quando colpivano uno schermo di carta rivestito di solfuro di zinco (ZnS), dopo aver attraversato un sottile foglio d'oro.
Tuttavia, il conteggio delle scintillazioni era tutt'altro che semplice, un lavoro in cui risultava necessario trascorrere ore ed ore nel buio totale.
Ma, a detta di Rutherford, Geiger era "bravissimo in quel lavoro e riusciva a contare con qualche interruzione per una notte intera senza che la sua equanimità ne risentisse".
Questi grandi sforzi servirono per scoprire che le particelle alfa o passavano indisturbate attraverso il foglio d'oro, oppure venivano deflesse di uno o due gradi.
Era ciò che ci si aspettava, nessuna particolare sorpresa, almeno finché Geiger non riferì di aver osservato anche qualche particella alfa "deflessa di un angolo decisamente apprezzabile".
Ci stiamo ancora riferendo al 1908, anno in cui Rutherford, come già detto, venne insignito del Nobel per la Chimica per le sue scoperte inerenti alla radioattività.
Tornato vittorioso da Stoccolma, Rutherford non dormì sugli allori, ma anzi, si mise a studiare come valutare le probabilità associate con differenti gradi di diffusione delle particelle alfa.
I suo calcoli evidenziarono che sussisteva una probabilità minima, quasi nulla, che una particella alfa passando attraverso un foglio d'oro subisse diffusioni multiple aventi come risultato globale una deflessione a grandi angoli.
Quella appena raccontata è la premessa al sensazionale episodio che avvenne nel 1909, quando il giovane Ernest Marsden venne incaricato di verificare se le particelle alfa potessero essere diffuse a grandi angoli, con sorprendente risposta affermativa!
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