Fisica. L’atomo da Democrito a Higgs (di A. A. MUNTONI)

L’Universo si può spiegare con poche e semplici – si fa per dire – leggi elementari?

È quello che gli scienziati – filosofi cercano di fare da oltre duemilacinquecento anni; è quello che andava ripetendo Albert Einstein (1879 – 1955), ogni qualvolta ne aveva l’occasione!

C’è stato un tempo in cui scienza e filosofia andavano a braccetto e, dall’osservazione del “mondo”, cioè della “realtà” che ci circonda – quella che vediamo e quella che possiamo solo immaginare che “esista” ovvero che possiamo solo dimostrare matematicamente che “esista”, come l’antimateria – è scaturita la prima fondamentale ipotesi sulla “struttura” dell’Universo: ogni “cosa” è formata da elementi indivisibili, che potremmo definire i mattoni della “materia”. A queste particelle indivisibili un filosofo greco della scuola presocratica, Democrito di Abdera (circa 460 – 370 a.C.), diede il nome di “atomo” (letteralmente: indivisibile”), da cui il nome della cosiddetta “scuola atomista”.

Le sostanze e la varietà dei fenomeni che si manifestano sulla Terra e che, osservando il cielo, si manifestano nell’Universo, sono stati oggetto di filosofeggiamenti da parte, fra gli altri, di Aristotele. Questi, che ha avuto un peso enorme nella storia e nell’evoluzione scientifica del mondo occidentale, riteneva che ogni cosa e fenomeno si potesse spiegare come la perfetta combinazione di quattro elementi di base: aria, acqua, terra e fuoco; non più, quindi, facendo ricorso all’inafferrabile “atomo” democriteo.

L’incerta – sul piano scientifico – tesi sostenuta da Aristotele è sopravvissuta per circa 2000 anni; sono stati necessari gli illuminati studi e ricerche dell’italiano Galileo Galilei (1564 – 1642) e dell’inglese Isaac Newton (1642 – 1727), nel XVII – XVII secolo, per scardinare la suddetta tesi nonché la competenza del chimico Antoine Lavoisier (1743 – 1794) per scomporre l’acqua nei suoi elementi di base (idrogeno e ossigeno). L’acqua, dunque, non è – come sosteneva Aristotele – un elemento fondamentale, giacché non è indivisibile; una “molecola” di acqua è scomponibile in  due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (in formule H2O).

A ben guardare la soluzione offerta da Aristotele prevedeva che la materia e i fenomeni fisici e chimici osservabili in Natura fossero tutti – nessuno escluso – riconducibili alla combinazione di soli quattro elementi; il chimico russo Dmitrij Mendeleev (1834 – 1907), invece, facendo propria la tesi sostenuta da John Dalton (1766 – 1844) sul fondamento dell’ipotesi democritea dell’esistenza degli atomi, propone un semplice e fecondo sistema per classificare gli atomi degli elementi – decisamente più di quattro – costituenti l’Universo. Il sistema proposto da Mendeleev è ancora oggi in uso e prende il nome di “tabella periodica degli elementi”; essa è alla base della chimica e della fisica moderne. La tabella periodica consentì di predire l’esistenza di elementi chimici che non erano ancora stati scoperti – ma che lo sarebbero stati di lì a poco – e di spiegare alcune affinità tra elementi chimici appartenenti agli stessi gruppi.

Nella tabella periodica gli atomi – non uno, ma tanti e tutti diversi fra loro – degli elementi sono ordinati in base al numero atomico (Z), cioè in base al numero di protoni costituenti il nucleo. Ma allora neanche l’atomo è la “particella” indivisibile di Democrito, giacché esso – come sappiamo con certezza – è costituita da mattoncini più piccoli, che possono essere spiegati solo facendo ricorso al Modello di Thomson della meccanica classica e al Modello Standard della meccanica quantistica.

Antoine Becquerel (1852 – 1908), in onore del quale il Sistema Internazionale chiama Becquerel (Bq) l’unità di misura della radioattività, scopre che certi sali di uranio hanno la capacità di impressionare – cosa che sino ad allora riusciva solo esponendo alla luce delle lastre ricoperte da particolari sostanze, mediante tecniche antesignane della moderna fotografia – delle lastre anche in assenza di luce, cioè di radiazione elettromagnetica. Sulle lastre risultavano essere presenti delle “tracce” lasciate da “qualcosa” che veniva, evidentemente, liberata dal campione di sali di uranio e che riusciva, peraltro, a superare (attraversare) anche sottili lamine interposte tra il campione e la lastra stessa.

Si trattava, evidentemente, della scoperta di un fenomeno – noto come radioattività – che destò da subito il forte interesse di un fisico di nome Maria Sklodowska (1867 – 1934) – peraltro amica del fisico A. Einstein –  meglio nota come Marie Curie, giacché moglie del fisico Pierre Curie (1859 – 1906), fece insieme al marito la seguente scoperta: non sono i sali di uranio (composti da uranio (U), potassio (K) e zolfo (S)) a produrre la radioattività ma l’uranio stesso.

Il fisico neozelandese Ernest Rutherford (1871 – 1937) scoprì che la radiazione emessa dall’atomo di uranio aveva una natura corpuscolare. Esistono due distinte forme di radiazione corpuscolare, denominate radiazione alfa e radiazione beta: la prima è dovuta all’emissione di una “particella alfa” (costituita da due protoni e due neutroni, cioè dal nucleo dell’atomo di Elio (He), elettricamente positiva) e l’altra all’emissione di  una “particella beta” (sostanzialmente dovuta a un elettrone, di carica negativa).

La terza forma in cui può presentarsi la radioattività fu scoperta da Paul Villard (1860 – 1934). La radiazione gamma è elettricamente neutra ed è dovuta all’emissione di fotoni ad altissima energia.

Rutherford comprende appieno la portata delle sue scoperte e di quelle di Villard: esse indicano che l’atomo non è indivisibile ma è composto da particelle elementari (protoni, neutroni, elettroni) di cui alcuni elementi (radioattivi) si liberano spontaneamente. Gli elementi radioattivi decadono e decadendo si trasformano: l’uranio 238 (U-238) decade (emettendo una particella alfa) in un atomo con un numero di massa (A) più piccolo di quattro unità e dopo un certo numero di decadimenti alfa e beta si arriva al radio 226 (Ra-226) e quando anche quest’ultimo decade (emettendo una particella alfa) si trasforma in radon (Rn-222) e quest’ultimo in polonio e infine, dopo un certo numero di ulteriori decadimenti in un elemento stabile, che non decadrà più, che si chiama piombo (Pb). Il tempo complessivo necessario per il decadimento da un elemento all’altro è normalmente espresso dal tempo di dimezzamento; il radon impiega poco più di 3 giorni per decadere in polonio e dunque la sua “attività radioattiva” è sufficientemente lunga da consentire a questo (pericoloso) gas di essere inalato dall’apparato respiratorio e di causare, in caso di esposizione a elevati valori di concentrazione di attività radioattiva (tipicamente 100 Bq/m3, secondo WHO), il cancro al polmone.

Avevano dunque ragione gli “stregoni” che in passato cercavano il sistema per trasformare i metalli in oro, cioè di effettuare con qualche alchimia la trasmutazione di un elemento in un altro? L’ipotesi formulata da Rutherford suonava un po’ esoterica, se è vero che ammetteva la possibilità che un elemento chimico della tabella periodica potesse, nel tempo, cambiare la propria natura chimica, trasformandosi in qualcos’altro!

La scoperta della radioattività mise dunque in discussione concetti e conoscenze ormai consolidate per fisici e chimici; occorreva a questo punto dimostrare la tesi di E. Rutherford o formulare un’altra ipotesi. Fu Joseph Thomson (1856 – 1940) – alla cui scuola si formò E. Rutherford – a scoprire l’elettrone (riconoscendo che le particelle dei raggi beta hanno la stessa natura e carica elettrica della particelle emesse dai raggi catodici nei tubi catodici) e a proporre il primo modello dell’atomo, che questi immagina come una specie di sferetta carica positivamente sulla cui superficie o al cui interno, sono più o meno uniformemente distribuiti gli elettroni, affinché il sistema sia elettricamente neutro.

Tuttavia, fu E. Rutherford a dover smentire, nel 1911, il modello di atomo proposto dal proprio maestro J. Thomson attraverso una lunga serie di esperimenti sui raggi alfa condotti insieme a Ernest Walton (1903 – 1995) e John Cockcroft (1897 – 1967), padri dei moderni acceleratori di particelle. Il modello atomico di E. Rutherford prevedeva, infatti, che l’atomo fosse sostanzialmente più vuoto che pieno, con un nucleo di diametro molto piccolo (10-14 m) e dotato di carica elettrica di segno positivo, con elettroni, dotati di carica elettrica negativa, che gli ruotano intorno.

Pochi anni più tardi, un allievo di E. Rutherford, il danese Niels Bohr (1865 – 1962), anch’egli amico di A. Einstein, proporrà in seno alla meccanica quantistica – di cui il primo fu sostenitore e l’altro detrattore – un modello atomico che prevede una nuvola di elettroni che ruota intorno al nucleo su particolari orbite che si concili con la teoria elettromagnetica del matematico e fisico scozzese James Maxwell (1831 – 1879).

E il nucleo, ci si chiede all’inizio del XX secolo, sarà indivisibile?

La risposta è negativa e sarà ancora E. Rutherford a darla, individuando i suoi principali costituenti elementari, primo fra tutti il protone (nucleo dell’atomo di idrogeno – prozio), che questi riesce a evidenziare sperimentalmente bombardando degli atomi con particelle alfa, cui si attribuisce una carica positiva, uguale e contraria a quella dell’elettrone. In natura, infatti, l’idrogeno si presenta in tre forme isotopiche, che corrispondono ai nomi di prozio (Z = 1, A = 1), deuterio (Z = 1, A = 2) e trizio (Z = 1, A = 3), in cui Z rappresenta il numero atomico (evidentemente uguale a 1 in tutti e tre i casi) e in cui A rappresenta il numero di massa (somma dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo).

Indicata con “e” la carica elettrica “elementare”, se si ammette che la carica elettrica dei protoni è uguale e contraria a quella dei neutroni, un nucleo con una carica pari, per esempio, a +6e dovrebbe avere un corrispondente numero di protoni (6, per l’appunto, come quelli ipotizzati da D. Mendeleev per l’elemento che occupa la sesta casella della tavola periodica, il Carbonio (C)) e quindi una massa pari a 6 volte quella del nucleo dell’atomo di idrogeno. I fisici, però, si accorgono che il nucleo non può essere composto di soli protoni: vi sono, infatti, elementi chimici la cui massa risulta essere doppia rispetto a quella che gli competerebbe se i protoni (nuclei di atomi di idrogeno) fossero in numero pari alle cariche elettriche ad esso attribuite; nell’esempio di cui sopra, ad una carica di +6e dovrebbe corrispondere una massa pari a 6 volte quella del nucleo di un atomo di idrogeno e invece si osserva e rileva che la massa è pari a 12 volte quella del nucleo di un atomo di idrogeno, cioè è doppia rispetto a quella attesa dall’equivalenza carica elettrica – massa del nucleo di un atomo di idrogeno (protone).

Evidentemente, si arriva infine a ipotizzare, il nucleo è costituito anche da altre particelle elementari, di massa sostanzialmente identica – in realtà di poco superiore – a quella di un protone, elettricamente neutre; esse, cioè, contribuirebbero alla massa ma non alla carica del nucleo atomico e sarà E. Rutherford a chiamarle neutroni. A onor del vero, il fatto che la massa del neutrone potesse essere di poco superiore a quella del protone venne a suo tempo spiegata – erroneamente – da E. Rutherford con la possibilità che questa nuova particella elementare potesse formarsi per fusione tra un protone e un elettrone. È certo, oggi, che così non è; tuttavia, anche se qualche fisico sorride all’idea a suo tempo proposta da E. Rutherford, riconoscendogli comunque a tutta la stima e il rispetto che merita per le innumerevoli e fondamentali scoperte fatte e intuizioni avute, rimane il fatto che negli acceleratori di particelle si assiste a fenomeni di annichilazione e creazione di materia che dovrebbero stupire assai di più dell’ipotesi formulata da E. Rutherford! Insomma, per dirla con A. Einstein, forse «Dio non gioca a dadi», ma al CERN di Ginevra si assiste talora a inspiegabili fenomeni fisici, almeno per ora non del tutto comprensibili!

A rivelare il neutrone sarà James Chadwick (1891 – 1974) nel 1932 con un esperimento che può essere così sintetizzato: colpendo con particelle alfa emesse dall’elemento radioattivo polonio (PO) un disco di berillio (Be), che emette a sua volta una radiazione capace di liberare protoni da un blocco di paraffina; la radiazione emessa dal berillio è, per l’appunto, composta da neutroni.

È stata fatta molta strada, da allora e forse anche l’ultimo tassello del Modello Standard, che basa la propria forza sulla teoria della meccanica quantistica e sulle conferme sperimentali arrivate dagli esperimenti condotti presso l’acceleratore di particelle LHC del CERN, è stato messo al suo posto: il Bosone di Higgs.

Andrea Alessandro MUNTONI

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