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0433. Quanto è vuoto l'atomo

La maggior parte dell'atomo è vuoto. E' vero che la materia è dura ed impermeabile grazie all'elettomagnetismo?
da Silvia

 

 

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 L'atomo è una struttura prevalentemente vuota: in un semplice modello "planetario", il nucleo atomico, costituito di protoniicona_glossario e neutroniicona_glossario , ha dimensioni dell'ordine di 10-15 metri, mentre gli elettroni icona_glossario ruotano intorno ad esso secondo traiettorie che hanno un raggio tipico di 10-11 metri, dunque diecimila volte più grandi della dimensione nucleare.

Infatti, nell'esperimento di Rutherford icona_minibiografia , fondamentale per giungere alla formulazione del modello atomico, fu mostrato che, bombardando una sottilissimo foglio di oro (circa 0.01 mm di spessore) con particelle alfa , la maggior parte di esse lo attraversava senza subire deflessioni, mentre solo l'1% veniva deviato o completamente respinto. Le particelle deflesse o respinte erano evidentemente quelle che interagivano con i protoni e neutroni del nucleo, le altre invece attraversavano lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni senza interagire con essi.

Sebbene gli atomi siano essenzialmente vuoti, la materia solida, cui fa riferimento la domanda, è invece dura e impermeabile a causa delle forze di legame, di natura elettromagnetica , che tengono assieme i suoi componenti fondamentali. La forza elettromagnetica classica, di attrazione tra nucleo ed elettroni, non sarebbe però in grado di spiegare da sola la stabilità degli atomi: infatti, una particella carica in moto come l'elettrone dovrebbe emettere radiazione elettromagnetica , e in tal modo perdere energia, sino a collassare sul nucleo. Il modello planetario dell'atomo e' quindi un'approssimazione semplicistica e venne infatti superato dalla meccanica quantistica: l'elettrone non descrive un orbita circolare attorno al nucleo, ne' si può determinare esattamente la sua traiettoria, ma soltanto fornire la probabilità che esso si trovi in un punto dello spazio, ad una certa distanza dal nucleo. La distanza più probabile è detta raggio di Bohr icona_esperto[167] ed è proprio dell'ordine di 10-11 metri. Inoltre, le grandezze fisiche che caratterizzano l'elettrone, quali energia, quantità di moto o momento angolare, sono quantizzate e possono assumere soltanto valori multipli interi o seminteri di un "quanto" elementare. In virtù del principio di esclusione di Pauli icona_esperto[200], due elettroni non possono trovarsi in uno stato caratterizzato dagli stessi numeri quantici.

Grazie alla quantizzazione delle sue proprietà, l'elettrone non collassa sul nucleo, come avverrebbe secondo l'elettromagnetismo classico, ma descrive nel tempo un cosiddetto orbitale, ovvero una densità di probabilità nello spazio attorno al nucleo. Parimenti, nel caso di molecole a più atomi, la regione tra i nuclei dei singoli atomi e' popolata dagli elettroni con una probabilità data dagli orbitali molecolari, che possono determinarsi combinando gli orbitali atomici.

A livello macroscopico, come sappiamo, la materia si presenta in stati di aggregazione solido, liquido ed aeriforme, a seconda dell'intensità delle forze di coesione. La coesione è una forza di natura elettrostatica che tende a tenere unite le molecole di una certa sostanza, opponendosi a forze esterne che invece tendono a separarle e a deformare la sostanza. Le forze di coesione sono molto intense nei solidi, sono minori nello stato liquido, mentre nei gas sono quasi inesistenti.

In definitiva, a livello microscopico è necessario applicare i principi della meccanica quantistica per spiegare le proprietà dell'atomo e dei suoi componenti; gli stati di aggregazione della materia, che la caratterizzano come solida, liquida o aeriforme, dipendono invece essenzialmente dall'intensita' di forze di natura elettromagnetica.

 

Gennaro Corcella, fisico

 


 

ultimo aggiornamento aprile 2015

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