Puoi cercare l'immagine di un atomo su Internet e ne troverai una, anche se nessuno ha mai visto un atomo prima. Ma abbiamo una stima di come appare un singolo atomo grazie al lavoro di un gruppo di diversi scienziati come il fisico danese Niels Bohr.
Gli atomi sono gli elementi costitutivi della materia:un singolo atomo di qualsiasi singolo elemento è l'entità più basilare in natura che rispetta ancora le regole della fisica che possiamo osservare nella vita di tutti i giorni (le particelle subatomiche che compongono gli atomi hanno le loro regole speciali) . Gli scienziati sospettavano che gli atomi esistessero già da molto tempo prima di poterne concettualizzare la struttura:perfino gli antichi greci immaginavano che la materia dell'universo fosse costituita da componenti così piccoli da non poter essere scomposti in qualcosa di più piccolo, e chiamarono queste unità fondamentali atomi , che significa "indiviso". Entro la fine del 19° secolo si capì che le sostanze chimiche potevano essere scomposte in atomi, che erano molto piccoli e gli atomi di diversi elementi avevano un peso prevedibile.
Ma poi, nel 1897, il fisico britannico J.J. Thomson scoprì che gli elettroni (particelle caricate negativamente all'interno degli atomi che tutti avevano creduto per quasi un secolo fossero del tutto indivisibili) erano le cose più piccole che esistessero. Thomson ipotizzò semplicemente l'esistenza degli elettroni, ma non riuscì a capire esattamente come gli elettroni si inseriscono in un atomo. La sua ipotesi migliore era il "modello del budino di prugne", che raffigurava l'atomo come una torta carica positivamente costellata di aree cariche negativamente sparse ovunque come la frutta in un dessert d'altri tempi.
"Si è scoperto che gli elettroni sono elettrici negativi, e tutti con la stessa massa e molto piccoli rispetto agli atomi", afferma Dudley Herschbach, un chimico di Harvard che ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 1986 per i suoi "contributi riguardanti la dinamica dei processi chimici elementari". ," in un'e-mail. "Ernest Rutherford scoprì il nucleo nel 1911. I nuclei erano elettrici positivi, con masse diverse ma molto più grandi degli elettroni, ma di dimensioni molto piccole."
Niels Bohr era uno studente di Rutherford che intraprese coraggiosamente il progetto del suo mentore di decifrare la struttura dell'atomo nel 1912. Gli ci volle solo un anno per elaborare un modello funzionante di un atomo di idrogeno.
"Il modello di Bohr del 1913 per l'atomo di idrogeno aveva orbite circolari degli elettroni attorno al protone, come le orbite della Terra attorno al sole", afferma Herschbach. "Bohr si era servito di una struttura semplice e regolare per lo spettro dell'atomo di idrogeno, che era stata trovata da Johann Balmer nel 1885. Si era servito anche dell'idea dell'idea quantistica, trovata da Max Planck nel 1900."
Nel 1913, il modello di Bohr compì un enorme passo avanti perché incorporò caratteristiche della neonata meccanica quantistica nella descrizione di atomi e molecole. Quell'anno pubblicò tre articoli sulla costituzione di atomi e molecole:il primo e il più famoso era dedicato all'atomo di idrogeno e gli altri due descrivevano alcuni elementi con più elettroni, utilizzando il suo modello come struttura. Il modello da lui proposto per l'atomo di idrogeno prevedeva che gli elettroni si muovessero attorno al nucleo, ma solo su binari speciali con diversi livelli di energia. Bohr ipotizzò che la luce fosse emessa quando un elettrone saltava da un percorso a energia più alta a un percorso a energia più bassa:questo è ciò che fa brillare l'idrogeno in un tubo di vetro. Ha capito bene l'idrogeno, ma il suo modello era un po' difettoso.
"Il modello non è riuscito a prevedere il giusto valore delle energie dello stato fondamentale degli atomi con molti elettroni e delle energie di legame delle molecole, anche per i più semplici sistemi a 2 elettroni, come l'atomo di elio o una molecola di idrogeno", afferma Anatoly Svidzinsky , professore presso l'Istituto di scienza e ingegneria quantistica della Texas A&M, in un'intervista via e-mail. "Quindi, già nel 1913, era chiaro che il modello di Bohr non è del tutto corretto. Anche per l'atomo di idrogeno, il modello di Bohr prevede erroneamente che lo stato fondamentale dell'atomo possieda un momento angolare orbitale diverso da zero."
Il che, ovviamente, potrebbe non avere molto senso per te se non sei un fisico quantistico. Tuttavia, il modello di Bohr ricevette rapidamente il Premio Nobel per la fisica nel 1922. Ma proprio mentre Bohr stava consolidando la sua reputazione nel mondo della fisica, gli scienziati stavano migliorando il suo modello:
"Il modello di Bohr per l'atomo di idrogeno fu migliorato da Arnold Sommerfeld nel 1916", afferma Herschbach. "Ha trovato orbite ellittiche che rappresentavano linee spettrali vicine a quelle che provenivano da orbite circolari. Il modello di Bohr-Sommerfeld per l'atomo di idrogeno è basilare, ma la quantistica e la relatività sono diventati aspetti importanti."
Tra il 1925 e il 1928, Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger e Paul Dirac svilupparono questi aspetti ben oltre il modello atomico di Bohr, ma il suo è di gran lunga il modello di atomo più riconosciuto. I modelli atomici che la fisica quantistica ci ha fornito assomigliano meno a un sole circondato da pianeti elettronici e più a quelli dell’arte moderna. È probabile che utilizziamo ancora il modello di Bohr perché è una buona introduzione al concetto di atomo.
"Nel 1913, il modello di Bohr dimostrò che la quantizzazione è la strada giusta da percorrere nella descrizione del micromondo", afferma Svidzinsky. "Così, il modello di Bohr ha mostrato agli scienziati una direzione in cui cercare e ha stimolato l'ulteriore sviluppo della meccanica quantistica. Se si conosce il percorso, prima o poi si troverà la giusta soluzione al problema. Si può pensare al modello di Bohr come uno dei segnali di direzione lungo un sentiero nel mondo quantistico."
Questo è interessanteIl padre di Niels Bohr, Christian Bohr, è stato nominato per tre diversi premi Nobel per la fisiologia della medicina, anche se non ha mai vinto.
