per quale motivo il modello planetario dell'atomo entrò in crisi

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Atomo planetario di Rutherford

I modelli si evolvono

Percorrere l’evoluzione dei modelli atomici &egrave un ottimo modo di rendersi conto del significato di modello, cio&egrave di
una costruzione mentale in grado di interpretare i fenomeni fisici e, se possibile, di prevederne di nuovi. Inoltre
questo settore di ricerca fu in mutuo e continuo scambio con lo sviluppo della teoria quantistica. La necessit&agrave di prevedere
l’esistenza degli atomi si era presentata all’inizio del secolo XIX in chimica, ed era subito stata accettata in
quell’ambito scientifico. I fisici, al contrario, furono molto restii ad ammettere la loro esistenza, opponendo una obiezione
di tipo “galileiano“: poich&eacute gli atomi non sono direttamente osservabili, essi non possono essere entit&agrave fisiche, dato
che in fisica una grandezza, per esistere, deve essere misurabile.

Alla fine del secolo XIX, comunque, gli sviluppi della termodinamica e nuove scoperte, come l’esistenza degli elettroni
(esperimento di J. J. Thomson, 1897) convinsero della necessit&agrave di costruire validi modelli atomici. Qualunque modello atomico
doveva rispettare alcune evidenze sperimentali:

  1. le sue dimensioni dovevano essere dell’ordine di 10-10 m
  2. doveva essere complessivamente neutro, come avviene per tutta la materia ordinaria
  3. doveva contenere cariche negative (scoperta dell’elettrone) e quindi un ugual numero di cariche positive

E’ chiaro che possono esistere molti modelli che soddisfano queste condizioni; nella scienza vale un principio molto
generale, quello dell’economicit&agrave: il modello migliore &egrave quello pi&ugrave semplice, quello cio&egrave che rispetta
tutti i parametri con il minor numero di ipotesi aggiuntive. Un modello &egrave per&ograve una struttura dinamica in continua evoluzione:
occorre testarlo con esperimenti mirati. Se il modello &egrave coerente con i dati sperimentali ottenuti esso si rafforza, altrimenti
occorre abbandonarlo e sostituirlo con uno nuovo che spieghi tutti i risultati sperimentali del vecchio, pi&ugrave quelli che lo
hanno messo in crisi. Il primo modello atomico fu proposto da J. J. Thomson nel 1903 (modello a panettone); esso
prevedeva che l’atomo fosse una sfera costituita da materia carica positivamente, con gli elettroni conficcati come
l’uvetta in una torta, in modo da assicurare la neutralit&agrave del sistema.

Modello di Rutherford

Il modello di Thomson entr&ograve in crisi tra il 1909 ed il 1911 in seguito ad una serie di esperimenti condotti
nell’Universit&agrave di Manchester dal neozelandese
Ernest Rutherford
con la collaborazione dei giovani fisici tedeschi Geiger e Marsden. L’idea base dell’esperimento di Rutherford &egrave
semplice: per ottenere informazioni sull’atomo lo si bombarda con proiettili delle sue dimensioni e si analizza la
deflessione subita dai proiettili dopo l’urto. Ragionando per analogia &egrave come se volessimo ottenere informazioni su un
oggetto sconosciuto posto all’interno di una scatola chiusa sparando contro di essa con una mitragliatrice; se ad esempio tutti
i proiettili attraversano la scatola quasi indisturbati si pu&ograve pensare che il contenuto sia poco resistente e tenero, se invece
qualche proiettile viene fortemente deviato o addirittura rimbalza indietro si pu&ograve ipotizzare che all’interno vi siano oggetti
molto tenaci e duri.

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Nell’esperimento di Rutherford i proiettili erano costituiti da particelle α (nuclei d’elio) emesse da una
sorgente radioattiva (polonio), mentre il bersaglio era una sottilissima lamina d’oro, con uno spessore pari ad uno
strato di qualche migliaio di atomi appena. Le attese degli sperimentatori, sulla base del modello di Thomson, erano che i
proiettili dovessero attraversare lo strato di atomi come se fosse stata carta o burro, tenendo conto che le particelle
α costituivano proiettili massicci che arrivavano sulla lamina d’oro ad alta velocit&agrave.

Secondo il modello di Thomson, l’atomo era una sferetta di raggio r di circa 10-10 m con una carica positiva q
distribuita in modo uniforme. Questa sferetta avrebbe dovuto creare un campo radiale nello spazio di valore massimo
E = k q / r2, troppo debole per deviare sensibilmente le particelle α.

I risultati sperimentali furono sorprendenti: si osserv&ograve infatti che, se la maggior parte delle particelle α
attraversava la lamina d’oro senza subire una apprezzabile deviazione, come previsto, un certo numero di proiettili, per&ograve,
veniva deflesso fortemente e qualcuno, con una frequenza di 1 particella su 6 milioni, veniva addirittura
riflesso all’indietro. Rutherford disse “era come se vi fosse capitato di sparare un proiettile da 15 pollici su un
pezzo di carta velina e questo fosse tornato indietro a colpirvi
“.

Era come se la carica positiva nell’atomo fosse in grado di esercitare sulle particelle α forze repulsive molto pi&ugrave
intense di quelle previste dal modello a panettone. Sulla base delle frequenze statistiche delle particelle rimbalzate indietro
venne valutata la sezione d’urto e quindi il raggio della sezione occupata dalla carica positiva. Il raggio risult&ograve molto
pi&ugrave piccolo dell’atomo: r = 1,5 10-14 m

Se la carica positiva occupa una zona molto minore delle dimensioni atomiche, allora il campo elettrico E massimo &egrave
decine di milioni di volte pi&ugrave intenso di quello previsto dal modello di Thomson. Questo spiega l’enorme forza repulsiva
che fa rimbalzare indietro le particella α che si trovino quasi in rotta di collisione con un nucleo d’oro.

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Sulla base dei risultati sperimentali, Rutherford nel 1911 propose il suo modello atomico, detto anche atomo
planetario
per la sua struttura analoga a quella del sistema solare. Nel modello di Rutherford, la carica positiva &egrave
concentrata in un volume piccolissimo al centro dell’atomo, il nucleo, il cui raggio varia da 10-15 a
10-14 m passando dall’idrogeno agli elementi pesanti, mentre gli elettroni, in numero tale da bilanciare la carica
positiva del nucleo, ruotano su orbite di raggio compreso tra 10-10 e 3 10-10 m.

Questo modello, semplice ed elegante, spiegava bene i risultati sperimentali, ma, in base alla fisica classica, aveva il
difetto di essere instabile. Infatti le cariche elettriche non possono comportarsi stabilmente come satelliti intorno al
nucleo perch&eacute la teoria classica di Maxwell prevede che una carica che oscilla emetta onde elettromagnetiche della
stessa frequenza di rotazione
. Gli elettroni avrebbero dovuto emettere continuamente radiazione elettromagnetica
e quindi perdere energia
a ritmo costante, avvicinandosi sempre di pi&ugrave al nucleo, fino a cadervi e questo doveva avvenire
in un tempo molto breve, in contrasto con l’evidente stabilit&agrave della materia.

Si era ad un punto di crisi: o il modello di Rutherford non andava bene e allora non si potevano spiegare in nessun modo i
risultati sperimentali sulla deflessione della particelle α, o la fisica classica non era adeguata alla descrizione
dell’atomo. La soluzione del dilemma avvenne due anni dopo, nel 1913, per merito del fisico danese
Niels Bohr
che adatt&ograve al modello di Rutherford i principi della neonata fisica quantistica.

Prima di parlare del modello atomico di Bohr &egrave per&ograve necessario illustrare alcuni importanti fatti sperimentali che ebbero
interpretazione teorica proprio grazie a questo nuovo modello. Uno di questi era lo spettro di luce emesso dai gas incandescenti.


Copyleft Ludovica Battista

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