Fisica quantistica

l'atomo, le particelle elementari, le forze fondamentali

Alessio Mangoni

• Editore: Alessio Mangoni
• Anno: 2020
• eBook ISBN: 9788835886884
• Argomento: Scienze fisiche
• Categoria: Teoria quantistica

L'atomo è sempre stato al centro dell'attenzione delle scienze che studiano la natura. Inizialmente considerato come particella fondamentale e indivisibile della materia, da cui il nome, è stato inquadrato dalla fisica, grazie alle sue teorie, che ne ha compreso i costituenti e le proprietà. La nascita e lo sviluppo della fisica quantistica, che ha rivoluzionato il modo di pensare di molti, scienziati e non, ha finalmente permesso una descrizione finale ed elegante della particella che forma le molecole di cui è fatta la materia: l'atomo. Gli atomi sono i mattoni della materia, mentre le particelle elementari sono i costituenti ultimi delle particelle e, quindi, anche degli atomi. In aggiunta, ciascuna interazione fondamentale possiede una particella elementare che ha le funzioni di mediatrice di tale forza. Un esempio è il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica. Si parlerà delle particelle elementari della fisica, raggruppate nel cosiddetto Modello Standard, come ad esempio i quark che compongono protoni e neutroni che a loro volta formano il nucleo degli atomi. La natura intera funziona grazie alla collaborazione delle quattro forze fondamentali. La gravità e l'interazione elettromagnetica sono le più note e spesso sono sufficienti le loro formulazioni classiche, non quantistiche per trattare i fenomeni che accadono nella vita quotidiana. Tuttavia una teoria fisica, per essere tale, deve tenere conto della teoria quantistica e della relatività ristretta di Einstein e di tutte le loro conseguenze. Quali sono dunque, nel dettaglio e se esistono, le teorie quantistiche e relativistiche che regolano le quattro forze fondamentali della natura?

L’atomo

Un atomo può essere considerato come il mattone fondamentale che compone la materia. Il suo nome deriva dal greco e significa “indivisibile”, infatti inizialmente si pensava che non fosse ulteriormente divisibile in altre particelle, ma che fosse l’unità fondamentale e più piccola esistente in natura. Questo pensiero era legato alla teoria filosofica detta “atomismo”, sviluppatasi già a partire dal settimo secolo a.C. In realtà l’atomo è divisibile ulteriormente, infatti esso è composto da tre tipi di particelle: il protone, il neutrone e l’elettrone. L’idea che l’atomo fosse divisibile in altre particelle è iniziata ad essere presa in considerazione alla fine dell’Ottocento con la scoperta di uno dei suoi costituenti: l’elettrone. L’elettrone è una particella elementare, cioè puntiforme, non dotata di struttura interna e non ulteriormente composta da altre particelle. Possiede una carica elettrica negativa e ha una massa molto piccola dell’ordine di un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di chilogrammo. L’elettrone fu scoperto da Joseph John Thomson nel 1897 il quale, nel 1904, propose il cosiddetto “modello a panettone” per l’atomo. Questo modello prevedeva che l’atomo fosse formato da una distribuzione omogenea di carica elettrica positiva dove erano presenti, all’interno, delle cariche elettriche negative, cioè gli elettroni. Questo modello prevedeva che l’atomo fosse neutro (carica elettrica negativa totale uguale a quella positiva) e che fosse “pieno” come appunto un panettone. Nel 1909 per testare la correttezza di questo modello fu realizzato il cosiddetto esperimento di Rutherford. Se il modello a panettone di Thomson fosse corretto allora bombardando gli atomi con un fascio di particelle alfa (una particella alfa è composta da due neutroni e due protoni e ne parleremo in seguito) queste dovevano essere deviate al massimo di pochi gradi, a causa della distribuzione omogenea di cariche positive e negative. L’esperimento mostrò risultati del tutto inattesi, infatti alcune particelle deviavano con angoli molto grandi, tanto che Rutherford stesso, meravigliato per l’accaduto, affermò che è come se sparando dei proiettili grandi decine di centimetri di diametro contro la carta questi tornassero indietro a colpirti. Facendo alcuni calcoli egli scoprì che l’unico modo per cui si potessero verificare eventi simili era quello di considerare che la maggior parte della massa dell’atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. Per questo motivo, nel 1911, Rutherford formulò il cosiddetto modello planetario dell’atomo o modello atomico di Rutherford. Questo modello sostituiva il modello a panettone di Thomson, rivelatosi errato proprio grazie all’esperimento di Rutherford. Dai dati sperimentali Rutherford dedusse che al centro dell’atomo doveva esserci un nucleo di carica elettrica positiva dove si concentrava la maggior parte della massa dell’atomo stesso. Secondo questo nuovo modello le cariche elettriche negative (elettroni), che dovevano compensare tale carica positiva e rendere l’atomo globalmente neutro, erano disposte attorno al nucleo. Facendo dei calcoli per gli atomi d’oro usati nell’esperimento di Rutherford, egli calcolò che il diametro del nucleo doveva essere dell’ordine di diecimila volte più piccolo del diametro dell’intero atomo. I calcoli effettuati da Rutherford coinvolgevano la fisica classica, ma si rivelarono corretti anche in seguito, a causa delle particelle in gioco nell’esperimento diretto da Rutherford. Il modello planetario dell’atomo, in cui un nucleo carico massivo è circondato da una “nube” di elettroni, fu confermato fin dal 1914 a seguito di vari esperimenti. Inoltre nel 1913 il fisico Niels Bohr propose il suo modello atomico che prevedeva che gli elettroni si trovassero, nell’atomo, in determinati livelli di energia, cioè stati energetici “quantizzati”, e che un elettrone poteva effettuare una transizione tra due livelli energetici a seguito di emissione o assorbimento di un quanto di energia (un fotone di energia pari alla differenza di energia dei due livelli in questione). Successivamente, con l’avvento dell’equazione di Schrodinger in meccanica quantistica, il modello proposto da Niels Bohr venne confermato e si poterono calcolare anche quantitativamente dalla teoria tutte le grandezze in gioco. Attualmente possiamo dire che il modello di Rutherford è corretto e possiamo affermare che l’atomo è formato da un nucleo di carica positiva (dell’ordine di diecimila volte più piccolo dell’atomo) che racchiude la maggior parte della massa dell’atomo e circondato da elettroni che orbitano disposti in livelli energetici quantizzati. Il nucleo atomico è composto a sua volta da due tipi di particelle, il protone e il neutrone, che stanno legati tra loro (in genere più protoni e più ...

Indice dei contenuti

• Indice
• Introduzione
• L’atomo
• Le particelle elementari
• Particelle elementari della materia (fermioni)
• QUARK
• LEPTONI
• Particelle elementari delle interazioni (bosoni)
• Mediatore interazione elettromagnetica
• Mediatore interazione forte
• Mediatori interazione debole
• Le forze fondamentali