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Il modello atomico di Niels Bohr

Il modello atomico di Niels Bohr

Il primo modello atomico quantistico

Se oggi la fisica atomica appare scontata, agli inizi del Novecento non si era ancora affermata. Richard Feynman, fisico e premio Nobel, durante le sue famose lezioni di fisica, un giorno disse:

“Se in un cataclisma andasse distrutta tutta la conoscenza scientifica e soltanto una frase potesse essere trasmessa alla successiva generazione, quale affermazione conterrebbe la massima quantità di informazioni nel numero minimo di parole? Io credo che sia l’ipotesi atomica, secondo cui tutte le cose sono fatte di atomi – piccole particelle che si agitano in un moto perenne, attraendosi quando sono un po’ distanti una dall’altra, ma respingendosi quando sono schiacciate una contro l’altra. In questa singola frase, vedete, c’è un’enorme quantità di informazione sul mondo, se si applica soltanto un po’ di immaginazione e di riflessione”.

Il fisico inglese Joseph Thomson alla fine del 1800 fu il primo a suggerire che una delle unità fondamentali dell’atomo fosse più di 1.000 volte più piccola dell’atomo stesso: questa particella subatomica è ora nota come elettrone. Thomson scoprì l’elettrone attraverso le sue esplorazioni sulle proprietà dei cosiddetti raggi catodici, dei raggi cioè emessi dall’elettrodo negativo di un apparecchio elettrico. In particolare, Thomson scoprì che i raggi catodici potevano viaggiare nell’aria molto più lontano del previsto di quanto non potesse fare una particella delle dimensioni di un atomo. I suoi esperimenti suggerirono non solo che i raggi catodici fossero oltre 1.000 volte più leggeri dell’atomo di idrogeno, ma anche che la loro massa fosse la stessa in qualunque tipo di atomo da cui provenissero. Per questo concluse che i raggi catodici fossero composti da particelle molto leggere e cariche negativamente e che dovessero essere un elemento costitutivo universale dell’atomo. Egli chiamò queste particelle “corpuscoli”, ma in seguito gli scienziati preferirono il nome di elettroni.

Pochi anni dopo la scoperta dell’elettrone Thomson propose il modello atomico chiamato “a panettone” per cercare di spiegare le due proprietà degli atomi allora note: cioè che gli elettroni sono particelle cariche negativamente e che gli atomi non hanno carica elettrica netta. In questo modello, l’atomo era costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa, all’interno della quale erano inserite le cariche negative, come l’uvetta nel panettone appunto.

Nel 1909, uno studente di Thomson, Ernest Rutherford, dimostrò la natura nucleare degli atomi. L’esperimento consisteva nel misurare la deflessione di alcune particelle subatomiche, le particelle alfa, quando queste vengo “sparate” contro una sottile lamina d’oro. Dalla misura degli angoli di deflessione, Rutherford, formulò un modello atomico in cui la maggior parte della materia è concentrata in un volume, il nucleo di carica positiva, molto piccolo rispetto alle dimensioni atomiche mentre gli elettroni ruotano intorno ad esso, come i pianeti del sistema solare ruotano attorno al sole. Il problema era che gli elettroni, orbitando su una traiettoria circolare, sono soggetti all’accelerazione centrifuga e dunque, essendo carichi, per le leggi di Maxwell, avrebbero dovuto irraggiare onde elettromagnetiche, perdendo così energia fino a precipitare sul nucleo, dando luogo a un atomo instabile.

Tenendo presenti le scoperte di Rutherford, Bohr nel 1913 iniziò a considerare un’idea che sembrava convincente. Forse gli elettroni erano confinati in orbite specifiche attorno al nucleo nelle quali potevano orbitare senza irraggiare? In ogni atomo sarebbe esistita un’orbita minima, detta stato fondamentale, sotto cui gli elettroni non potevano scendere; altrimenti, vista la loro carica negativa, sarebbero stati attratti dalla carica positiva del nucleo, vi sarebbero caduti e tutta la materia sarebbe implosa. Gli elettroni potevano tuttavia “saltare” da un’orbita all’altra, e questi salti erano accompagnati dall’assorbimento o emissione di una particella di luce, cioè il fotone o quanto di luce che aveva ipotizzato Einstein per spiegare l’effetto fotoelettrico.

Il salto tra due orbite date corrispondeva all’emissione o all’assorbimento di luce di una frequenza specifica. Bohr immaginò così un modello dell’atomo analogo a quello dei pianeti che orbitano attorno al Sole. Il modello di Bohr descrive un modello di atomo stabile e fu finalmente possibile calcolare lo spettro di emissione dell’atomo di idrogeno in accordo con i dati sperimentali. Si era infatti osservato che anche gli elementi più semplici, come l’idrogeno, emettono radiazione non in maniera continua ma in maniera discreta, cioè emettono solo delle particolari lunghezze d’onda.

Se l’ipotesi di Bohr risolveva i problemi sperimentali, da un punto di vista teorico molto lavoro era ancora necessario, però, per giustificarla.