SCIENZA E RICERCA

I cento anni del primo modello quantistico dell'atomo

Molti probabilmente hanno sentito parlare dell’atomo di Bohr. Pochi forse sanno che il 2013 è stato il centenario di questa importante scoperta. Infatti, tra luglio e novembre del 1913, un giovane danese di nome Niels Bohr (Copenaghen 1885-1962), propone il primo modello quantistico di atomo. Il modello viene descritto nel primo dei tre articoli, pubblicati sul Philosophical Magazine con l’ambizioso titolo Sulla costituzione di atomi e molecole: in realtà il modello si applica solo all’idrogeno (un solo elettrone intorno al nucleo) e agli atomi idrogenoidi, cioè gli atomi ionizzati, nei quali sono stati tolti tutti gli elettroni meno uno che orbita intorno al nucleo di carica positiva.

La rinascita dell’atomismo tra Settecento e Ottocento avviene inizialmente nell’ambito della neonata chimica moderna. Ma nel corso dell’Ottocento coinvolge molti settori di quella che ancora veniva chiamata filosofia naturale. Intorno al 1860, Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen fanno alcune scoperte che inaugurano la spettroscopia: le loro esperienze mettono in evidenza che ogni elemento della tavola periodica emette e assorbe solo certi colori, cioè solo la luce di certe lunghezze d’onda o frequenze. Questi spettri di colori diventano una sorta di carta d’identità degli elementi chimici, un potente strumento di indagine per individuare la composizione chimica degli oggetti materiali sulla Terra, e per lo studio della composizione chimica di oggetti celesti, come le stelle.

Ma perché l’emissione e l’assorbimento avvengono solo per particolari colori? Si comincia a pensare negli ultimi decenni dell’Ottocento che l’atomo, etimologicamente “indivisibile”, sia in realtà costituito da cariche oscillanti che emettono e assorbono luce, cioè radiazione elettromagnetica. Non è però chiaro perché lo facciano solo per particolari frequenze o colori. Quando nel 1897 Joseph John Thomson scopre l’elettrone, una particella elettricamente carica di massa 2000 volte più piccola del più piccolo atomo della tavola periodica (l’idrogeno), l’idea che si fa strada è che siano proprio gli elettroni dentro l’atomo a muoversi in modo tale da giustificare le evidenze spettroscopiche. Non solo, negli stessi anni vengono scoperte nuove radiazioni, i raggi X (lo fa Wilhelm Roentgen nel 1895) e la radioattività (ad opera di Antoine Henri Becquerel nel 1896), che devono avere qualcosa che fare con la costituzione atomica. E Max Planck nel 1900, introduce la prima teoria che ammette che gli scambi tra radiazione e materia avvengano per quanti discreti di energia.

Albert Einstein e Niels Bohr negli anni Trenta

Da questi risultati prendono le mosse i primi modelli atomici. Come accade al cosiddetto “modello a panettone”, introdotto da Thomson e Kelvin tra il 1902 e il 1903: prevedeva una carica positiva diffusa dentro la quale erano collocati (come uvette nel panettone) gli elettroni, in moto su traiettorie concentriche. Era possibile unire l’idea di Planck di ‘quanti’ discreti di energia con quelle del modello a panettone per ottenere una spiegazione degli strani comportamenti osservati con la spettroscopia, i raggi X e la radioattività? I primi tentativi in questo senso furono fatti già intorno al 1910, ma nel 1911 Ernst Rutherford, sulla base degli esperimenti condotti dai suoi collaboratori Hans Geiger e Ernest Marsden, arriva alla conclusione che l’atomo è costituito da un nucleo di carica positiva intorno al quale orbitano gli elettroni. A questo punto la sfida è quella di costruire un modello atomico che cerchi di ricomporre in modo consistente i vari risultati sperimentali accumulatisi dalla seconda metà dell’Ottocento.

Da qui parte Bohr. «Si pensava – ricorda Bohr in un’intervista del 1962 – che gli spettri fossero meravigliosi, ma che non fosse possibile fare molti progressi in quel campo. Era come osservare l’ala di una farfalla, con la regolarità del disegno e i suoi bei colori: nessuno penserebbe di poter gettare le basi della biologia partendo dalla colorazione dell’ala di una farfalla.» E invece proprio gli spettri degli elementi gli forniscono la chiave per aprire definitivamente la porta d’accesso ai segreti dell’atomo.

Un elettrone che ruota intorno al nucleo positivo ha una velocità che cambia continuamente direzione, in altri termini è accelerato. Dovrebbe cioè, secondo quanto prescritto dall’elettromagnetismo classico, perdere progressivamente energia irradiando, e cadere in un moto a spirale sul nucleo, in contrasto con quello che si osserva. Bohr allora ipotizza che gli elettroni si muovano su orbite stazionarie con energia fissata. Queste costituiscono un insieme discreto di orbite in ognuna delle quali l’energia è individuata da un numero quantico intero: 1 individua lo “stato fondamentale”, cioè quello più vicino al nucleo, mentre 2, 3 .. n individuano stati di energia via via crescente, chiamati “stati eccitati”. Su queste orbite l’elettrone non irradia, ma quando passa da un’orbita all’altra emette o assorbe energia per quanti discreti, secondo la teoria di Planck: sono queste emissioni e assorbimenti discreti che spiegano le evidenze spettroscopiche.

Il modello, per quanto semplice e frutto di ipotesi azzardate che mescolano fisica classica e quantistica, spiega in modo sorprendente lo spettro dell’atomo di idrogeno e degli atomi idrogenoidi. Inoltre, sempre nella trilogia del 1913, Bohr fornisce anche una prima spiegazione dei raggi X prodotti da elettroni orbitanti, e dei raggi beta provenienti dal nucleo. È in qualche modo l’atto di nascita della fisica nucleare.

Le idee di Bohr, comunque, non vengono discusse solo nella ristretta cerchia degli addetti ai lavori. Lo dimostra il fatto che sul Times del 13 settembre 1913 compare un breve resoconto delle sue ricerche. Evidentemente i progressi della fisica quantistica interessano l’opinione pubblica, e vengono comunicati con uno stile che non si discosta molto da quello del giornalismo scientifico dei nostri giorni.

È questo uno dei tanti esempi di come la scienza possa progredire, per tentativi ed errori, cercando di individuare nel complesso mondo dei fenomeni naturali qualche idea guida. E non è detto che un’idea, scaturita da un errore o da un’approssimazione nella fase iniziale di elaborazione di una teoria, non possa lo stesso rivelarsi utile e feconda nelle fasi successive.

Giulio Peruzzi

Lo schema di funzionamento del modello atomico: il nucleo in arancione, l'elettrone in verde

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