Contenuto
- Teoria delle particelle di Democrito
- L'esperimento Democrito per dimostrare l'esistenza degli atomi
- John Dalton e Modern Atomic Theory
- Teoria delle particelle incontra il quanto
- L'atomo moderno
La teoria delle particelle della materia non fu tanto scoperta quanto formulata, e quella formulazione iniziò nell'antica Grecia.
La persona a cui è stato attribuito il merito di aver concepito l'idea che il mondo è composto da minuscole particelle indivisibili è il filosofo Democrito, che visse dal 460 al 370 a.C. Ha escogitato un esperimento per dimostrare la sua idea, e mentre l'esperimento Democrito può sembrare oggi eccessivamente semplicistico, ha contribuito a dare vita al concetto di atomo, che è centrale per la moderna comprensione della materia.
Nei secoli che seguirono l'esperimento, la teoria delle particelle di Democrito non fece molti progressi, ma a cavallo del diciannovesimo secolo, fu ripresa dal chimico e fisico inglese John Dalton (1766-1844).
Il lavoro di Dalton rimase praticamente invariato per la parte migliore di un secolo fino a quando un equipaggio di fisici moderni che includeva nomi come Thompson, Rutherford, Bohr, Planck ed Einstein fu coinvolto. Quello è quando le scintille hanno cominciato a volare e il mondo è entrato nell'era nucleare.
Teoria delle particelle di Democrito
Sembra che la parola "democrazia" possa essere stata derivata dal suo nome, ma Democrito non era un filosofo politico. La parola in realtà deriva dalle parole greche demo, che significa "il popolo" e kratein, che significa "governare".
Conosciuto come il "filosofo che ride" per la grande importanza che attribuiva allegria, Democrito coniava un'altra parola importante: atomo. Si riferiva alle piccole particelle che compongono tutto nell'universo Atomos, che significa inattaccabile o indivisibile.
Questo non fu il suo unico contributo pionieristico alla scienza. Democrito fu anche il primo a sostenere che la luce che vediamo dalla Via Lattea è la luce combinata di una moltitudine di singole stelle. Ha anche proposto l'esistenza di altri pianeti e ha anche postulato l'esistenza di universi multipli, un'idea che è all'avanguardia della scienza oggi.
Secondo Aristotele (384 - 322 a.C.), Democrito credeva che l'anima umana fosse composta di atomi di fuoco e di corpi di terra. Ciò era contrario alla convinzione di Aristotele secondo cui il mondo è costituito dai quattro elementi di aria, fuoco, terra e acqua e che il rapporto tra gli elementi ha determinato le caratteristiche della materia.
Aristotele credeva persino che gli elementi potessero essere trasformati l'uno nell'altro, un'idea che ha alimentato la ricerca della Pietra filosofale nel corso del Medioevo.
L'esperimento Democrito per dimostrare l'esistenza degli atomi
Né Aristotele né l'altrettanto influente Platone (tra il 429 e il 347 a.C.) aderirono alla teoria delle particelle di Democrito e ci vollero 2000 anni perché il "filosofo ridente" fosse preso sul serio. Ciò potrebbe avere a che fare con l'esperimento che Democrito ha ideato per provare la sua teoria, il che è stato poco convincente.
Democrito pensò che se prendi una pietra o qualche altro oggetto e continui a dividerlo a metà, alla fine arrivi a un pezzo così piccolo che non può più essere diviso. Si dice che abbia eseguito questo esperimento con una conchiglia e quando ha ridotto la conchiglia in una polvere fine che non poteva più tagliare in pezzi più piccoli, ha considerato quella prova del suo teorema.
Democrito era un materialista, diversamente da Platone e Aristotele, che credeva che gli scopi degli eventi fossero più importanti delle loro cause. Era un pioniere in matematica e geometria ed era tra le poche persone che all'epoca credevano che la terra fosse sferica. Anche se non è stato in grado di dimostrarlo in modo convincente, la sua concezione di atomi esistenti principalmente nello spazio vuoto, ciascuno con un piccolo gancio in stile velcro che gli ha permesso di connettersi con altri atomi, non è molto lontana dal moderno modello scientifico dell'atomo.
John Dalton e Modern Atomic Theory
La teoria di Democrito era corretta? La risposta è un sì qualificato, ma non è stata nemmeno considerata come una possibilità fino al 1800. Fu quando John Dalton la rivisitò mentre stava lavorando alla Legge di Costanza Costante avanzata dal chimico francese Joseph Proust. La legge di Prousts seguiva direttamente la Legge di conservazione della messa, che era stata scoperta da un altro chimico francese, Antoine Lavoisier.
La legge della composizione costante afferma che un campione di un composto puro, indipendentemente da come si ottiene, contiene sempre gli stessi elementi nelle stesse proporzioni di massa. Dalton si rese conto che ciò poteva essere vero solo se la materia fosse costituita da particelle indivisibili, che chiamava atomi (con un cenno della testa a Democrito). Dalton fatto quattro affermazioni sulla materia che insieme costituiscono la sua teoria atomica:
La teoria atomica di Dalton rimase praticamente invariata per gran parte del diciannovesimo secolo.
Teoria delle particelle incontra il quanto
Durante tutto il diciannovesimo secolo, si stava scatenando un dibattito sulla natura della luce, che si propagasse come un'onda o una particella. Molti esperimenti hanno confermato l'ipotesi dell'onda e molti altri hanno confermato quello corpuscolare. Nel 1887, il fisico tedesco Heinrich Hertz scoprì l'effetto fotoelettrico mentre stava facendo esperimenti con un generatore di scintille. Questa scoperta si è rivelata molto più importante di quanto realizzato da Hertz.
In quel periodo, il fisico inglese J.J. Thompson ha scoperto la prima particella subatomica, l'elettrone, esaminando il comportamento dei raggi catodici. La sua scoperta ha aiutato a spiegare cosa costituiva la scarica elettrica da una piastra conduttiva quando si illumina su di essa - che è la effetto fotoelettrico - ma non ciò che provoca la scarica né perché la forza dell'impulso elettrico è correlata alla frequenza della luce. La soluzione dovette attendere fino al 1914.
Nient'altro che Albert Einstein ha spiegato l'effetto fotoelettrico in termini di piccoli pacchetti di energia chiamati quanti. Questi erano stati proposti dal fisico tedesco Max Planck nel 1900. La spiegazione di Einstein dimostrò la teoria quantistica e gli fu assegnato il premio Nobel.
I quanti, come li concepiva Planck, erano allo stesso tempo particelle e onde. Secondo Planck, la luce era composta da quanti chiamati fotoni, ognuno dei quali aveva una particolare energia definita dalla sua frequenza. Nel 1913, il fisico danese Neils Bohr usò la teoria di Plancks per fornire il modello planetario dell'atomo, che era stato proposto dal fisico neozelandese Ernest Rutherford nel 1911, un rifacimento quantico.
L'atomo moderno
Nel modello dell'atomo di Bohrs, gli elettroni possono cambiare orbite emettendo o assorbendo un fotone, ma poiché i fotoni sono pacchetti discreti, gli elettroni possono cambiare orbite solo in quantità discrete. Due sperimentatori, James Franck e Gustav Hertz, hanno ideato un esperimento che ha confermato l'ipotesi di Bohr bombardando gli atomi di mercurio con elettroni, e lo hanno fatto senza nemmeno sapere del lavoro di Bohr.
Con due modifiche, il modello di Bohrs è sopravvissuto fino ai giorni nostri, anche se la maggior parte dei fisici moderni lo considera un'approssimazione. La prima modifica fu la scoperta del protone da parte di Rutherford nel 1920, e la seconda fu la scoperta del neutrone da parte del fisico britannico James Chadwick nel 1932.
L'atomo moderno è una conferma della teoria delle particelle di Democrito, ma è anche una specie di ripudio. Gli atomi risultano non essere indivisibili, e questo vale anche per le particelle elementari che li compongono. È possibile suddividere elettroni, protoni e neutroni in particelle più piccole chiamate quark, e potrebbe anche essere possibile suddividere un quark. Il viaggio nella tana del coniglio è tutt'altro che finito.