Cos'è un atomo e come è fatto davvero ?

Il modello a "molle" con cui la chimica veniva insegnata negli anni '80: utile per iniziare, ma lontano dalla realtà quantistica dell'atomo.

C'era un professore di chimica, all'istituto tecnico, nei primi anni '80. Pantaloni sempre sporchi di gesso, borsa piena di modellini: un nucleo al centro, gli elettroni intorno collegati con delle molle. Con quelli ci spiegava i legami chimici. 

Era una scena buffa, perché spesso gli elettroni scappavano via dalle molle e rotolavano per tutta la classe. Mi è sempre piaciuta la chimica — sarà anche per questo aneddoto, per quel professore e le sue palline che rotolavano via per la classe. 

E quell'immagine, il nucleo con gli elettroni a molla, è rimasta lì per più di quarant'anni.

Solo che un atomo non è questo. È un sistema quantistico, fatto di un nucleo di protoni e neutroni — a loro volta costruiti da quark tenuti insieme dalla forza forte — circondato non da orbite ma da nuvole di probabilità: gli elettroni. Non è un sistema solare in miniatura, per quanto sia così che ce lo insegnano a scuola. È qualcosa che il nostro senso comune, costruito su palline, molle e pianeti, non è del tutto attrezzato a immaginare.

Il resto di questo articolo è il percorso con cui sono arrivata a capirlo — partendo da quello che mi hanno insegnato negli anni '80, fino a quello che ho capito solo adesso.

- Dalle palline con le molle alla meccanica quantistica - 

Perché ho sempre immaginato l'atomo come un sistema planetario? 

Quello delle molle era, in sostanza, il modello planetario, associato ai nomi di Rutherford e Bohr: un nucleo centrale, pesante, positivo, con gli elettroni che gli girano intorno come pianeti intorno al sole. 

È un modello molto utile per introdurre la struttura dell'atomo e alcuni concetti di base — funziona abbastanza bene, per esempio, per spiegare lo spettro dell'idrogeno. Ma non descrive correttamente il comportamento reale degli elettroni, né spiega la chimica moderna: i legami chimici si capiscono davvero solo con la meccanica quantistica e gli orbitali. Gli elettroni non girano su orbite come pianetini. Il perché arriva più avanti. Non significa che siano fermi: significa che il concetto stesso di traiettoria perde significato alle scale quantistiche.

Arrivando a ingegneria ho iniziato a sentire nominare cose nuove: muoni, gluoni, una teoria che doveva "unificare tutto". Molti anni dopo, quando ormai non facevo più ingegneria da tempo, è arrivato il bosone di Higgs, con tutto il clamore mediatico che si portò dietro. 

Il risultato, per me, è stata una definizione di un atomo costruito a pezzi accumulati in decenni diversi, mai riordinati — con in mezzo anche una certa confusione tra antimateria, materia oscura ed energia oscura, tenute per anni nello stesso cassetto mentale senza sapere che sono cose diverse. 

Cosa c'è dentro il nucleo di un atomo.

Il nucleo, quello che nel modellino del mio professore era un blocchetto pieno, è fatto di protoni e neutroni. E questi, a loro volta, non sono indivisibili: sono composti da particelle più piccole, i quark. 

Esistono sei "sapori" o tipi di quark (up, down, charm, strange, top, bottom). Per costruire protoni e neutroni bastano quelli chiamati up e down. Sono tenuti insieme da un'altra particella, il gluone. 

Gli elettroni, invece, restano indivisibili per quanto ne sappiamo oggi: appartengono a un'altra famiglia, i leptoni. 

 Nucleo di protoni e neutroni al centro, elettroni in orbita come pianeti. Utile per iniziare, ma lontano dalla realtà quantistica dell'atomo.

 

Perché non si può dire dove si trova un elettrone? 

Il principio di indeterminazione di Heisenberg dice che esiste un limite fondamentale — non dovuto a strumenti imprecisi, ma alla natura stessa delle cose — nel conoscere insieme posizione e velocità di una particella. Più conosci con precisione dove si trova un elettrone, meno puoi sapere quanto velocemente si muove, e viceversa. 

Per questo il modello delle "molle" è sbagliato: gli elettroni non seguono un percorso tracciabile come un pianeta. Si descrivono con orbitali, zone di probabilità dove è più o meno plausibile trovarli, senza poter mai dire "eccolo qui, esattamente". Non sono nuvole di materia — è importante dirlo, perché è un equivoco comune — ma una descrizione matematica della probabilità di rivelare l'elettrone in una certa regione dello spazio. Ed è lo stesso motivo per cui elettroni e fotoni si comportano a volte come particelle puntiformi, a volte come onde diffuse: il dualismo onda-particella. 

Nessuno ha mai visto un atomo. Eppure lo sappiamo

Da elettrotecnica, l'elettrone l'ho sempre "visto" come quello che scappa nel filo e crea la corrente elettrica — una pallina che un campo elettrico strappa via e fa correre lungo un conduttore. Per anni ho pensato che quella fosse una visione ingenua, quella di chi non ha studiato fisica sul serio. Poi ho scoperto che non lo è affatto: è il modo in cui si descrive davvero la corrente nei circuiti reali, un livello di descrizione che funziona benissimo per progettare un impianto — non una versione sbagliata o da principianti di qualcosa di più vero. La natura ondulatoria dell'elettrone conta ad altre scale, nei singoli atomi e nei legami chimici, non quando accendi una lampadina. Un'intuizione tecnica giusta resta giusta, anche senza una formula di meccanica quantistica sotto. 

• Storicamente, l'elettrone fu identificato nel 1897 da J.J. Thomson, studiando i raggi catodici: un fascio deviabile da campi elettrici e magnetici, come ci si aspetta da particelle cariche. 

• Il nucleo fu scoperto nel 1909 da Rutherford, bombardando una lamina d'oro con particelle alfa. Ci si aspettava che la attraversassero quasi senza deviare; invece alcune rimbalzarono indietro. Segno che la carica positiva era concentrata in un nucleo piccolissimo e densissimo, non diffusa uniformemente come si pensava. 

• I quark furono dedotti negli anni '60 sparando elettroni ad altissima energia contro i protoni (esperimenti allo SLAC) e osservando come rimbalzavano — stessa logica di Rutherford, scala più piccola. 

• Oggi, con i microscopi a effetto tunnel, possiamo ottenere immagini che mostrano la disposizione dei singoli atomi sulla superficie dei materiali — non fotografie nel senso comune, ma ricostruzioni ottenute misurando una minuscola corrente elettrica (di tunneling) che varia a seconda della distanza dagli atomi, ed elaborando poi quei dati in un'immagine. 

Nessun atto di fede, quindi: dietro ogni affermazione c'è un esperimento pensato per "far parlare" qualcosa che non si può vedere direttamente. 

Non una fotografia in senso classico, ma una ricostruzione basata sulla corrente di tunneling: così "vediamo" oggi la disposizione dei singoli atomi.

Quanto è vuoto un atomo? 

C'è un'immagine che mi è rimasta impressa più di ogni altra: se il nucleo di un atomo fosse grande quanto una ciliegia, posizionata al centro di uno stadio, la nube di probabilità in cui si può trovare un elettrone si estenderebbe fino a centinaia di metri di distanza, ben oltre gli spalti. Tutto il resto — quasi tutto lo spazio che diamo per scontato quando pensiamo alla materia — sarebbe vuoto. 

Io, il mio corpo, questa scrivania, sono fatti per la stragrande maggioranza di niente. È una delle idee più difficili da tenere in testa, perché va contro tutto quello che i sensi ci dicono: tocchiamo il tavolo e ci sembra pieno, solido. In realtà è quasi tutto spazio vuoto, tenuto insieme da forze elettriche che impediscono agli atomi di compenetrarsi. 

Il modello Standard

La descrizione più completa e verificata di cosa sia fatta la materia si chiama Modello Standard delle particelle. 

Divide le particelle fondamentali in due famiglie: 

• i quark e i leptoni (tra cui l'elettrone), che compongono la materia; 

• i bosoni, mediatori delle forze — il fotone (elettromagnetismo), i gluoni (forza forte) e il bosone di Higgs, associato al campo di Higgs, con cui interagiscono molte particelle fondamentali acquisendo massa. 

Non tutta la massa nasce così, però: i protoni, per esempio, devono solo una piccola parte della loro massa al campo di Higgs — il resto viene dall'energia che tiene insieme i quark al loro interno. 

Schema riassuntivo del Modello Standard: tre generazioni di fermioni (quark e leptoni), i bosoni di gauge mediatori delle interazioni, e il bosone di Higgs.

Cosa manca ancora da capire

Orbitali, principio di indeterminazione e dualismo onda-particella appartengono a un territorio più ampio, che in questo Quaderno non ho ancora affrontato: la meccanica quantistica. Insieme alla relatività, rappresenta uno dei due grandi pilastri della fisica moderna. Sarà la prossima tappa di questo viaggio.

Anche materia oscura e antimateria restano fuori da questo articolo. Sono argomenti affascinanti, ma riguardano domande diverse: non tanto di che cosa sia fatto un atomo, quanto di che cosa sia fatto l'Universo. Ci arriveremo più avanti.

Ogni tanto ripenso a quel professore con i pantaloni sporchi di gesso e alle sue palline che rotolavano per la classe. Il suo modellino non era una rappresentazione fedele dell'atomo come lo descriviamo oggi, ma era il primo gradino necessario per iniziare a capirlo. La scienza funziona anche così: costruisce modelli che, con il tempo, vengono affinati, corretti o sostituiti da altri più completi.

─────────     * * *    ─────────

Articoli collegati

• Che cos'è la materia? Ed è davvero solo il 5% dell'Universo?
• La scienza spiegata a me stessa