Gli scienziati oggi immaginano gli atomi come composti da nuclei minuscoli, pesanti e carichi positivamente, circondati da nuvole di elettroni estremamente leggeri e carichi negativamente. Questo modello risale agli anni '20, ma ha origine nell'antica Grecia. Il filosofo Democrito propose l'esistenza degli atomi intorno al 400 a.C. Nessuno ha davvero preso il idea con fervore fino a quando il fisico inglese John Dalton introdusse la sua teoria atomica all'inizio 1800. Il modello di Dalton era incompleto, ma rimase sostanzialmente invariato per gran parte del XIX secolo.
Una raffica di ricerche sul modello atomico si è verificata alla fine del XIX e fino al XX secolo, culminando nel modello di Schrodinger dell'atomo, noto come modello delle nuvole. Poco dopo che il fisico Erwin Schrodinger lo introdusse nel 1926, James Chadwick - un altro fisico inglese - aggiunse un pezzo cruciale al quadro. Chadwick è responsabile della scoperta dell'esistenza del neutrone, la particella neutra che condivide il nucleo con il protone caricato positivamente.
La scoperta di Chadwick ha costretto a una revisione del modello della nuvola e gli scienziati a volte si riferiscono alla versione rivista come al modello atomico di James Chadwick. La scoperta valse a Chadwick il Premio Nobel per la fisica nel 1935 e rese possibile lo sviluppo della bomba atomica. Chadwick ha partecipato al progetto super-segreto Manhattan, che è culminato nello schieramento di bombe nucleari su Hiroshima e Nagasaki. La bomba contribuì alla resa del Giappone (molti storici ritengono che il Giappone si sarebbe arreso comunque) e alla fine della seconda guerra mondiale. Chadwick morì nel 1974.
In che modo Chadwick ha scoperto il neutrone?
J.J. Thompson scoprì l'elettrone usando tubi a raggi catodici nel 1890 e il fisico britannico Ernest Rutherford, il cosiddetto padre della fisica nucleare, scoprì il protone nel 1919. Rutherford ipotizzò che elettroni e protoni potessero combinarsi per produrre una particella neutra con all'incirca la stessa massa di un protone e gli scienziati credevano che una tale particella esistesse da diversi motivi. Ad esempio, si sapeva che il nucleo di elio ha un numero atomico di 2 ma un numero di massa di 4, il che significava che conteneva una sorta di massa misteriosa neutra. Tuttavia, nessuno aveva mai osservato un neutrone o dimostrato che esistesse.
Chadwick era particolarmente interessato a un esperimento condotto da Frédéric e Irène Joliot-Curie, che avevano bombardato un campione di berillio con radiazioni alfa. Hanno notato che il bombardamento ha prodotto una radiazione sconosciuta e quando hanno permesso che colpisse un campione di cera di paraffina, hanno osservato protoni ad alta energia lanciati dal materiale.
Insoddisfatto della spiegazione che la radiazione fosse composta da fotoni ad alta energia, Chadwick duplicò l'esperimento e concluse che la radiazione doveva essere composta da particelle pesanti con nessun addebito. Bombardando altri materiali, tra cui elio, azoto e litio, Chadwick è stato in grado di determinare che la massa di ogni particella era poco più di quella di un protone.
Chadwick pubblicò il suo articolo "The Existence of a Neutron" nel maggio 1932. Nel 1934, altri ricercatori avevano determinato che il neutrone era in realtà una particella elementare e non una combinazione di protoni ed elettroni.
L'importanza della teoria atomica di Chadwick
La moderna concezione dell'atomo conserva la maggior parte delle caratteristiche del modello planetario stabilito da Rutherford, ma con importanti modifiche introdotte da Chadwick e dal fisico danese Neils Bohr.
Fu Bohr a incorporare il concetto di orbite discrete in cui erano confinati gli elettroni. Ha basato questo su principi quantistici che erano nuovi all'epoca ma che si sono affermati come realtà scientifiche. Secondo il modello di Bohr, gli elettroni occupano orbite discrete, e quando si spostano su un'altra orbita, emettono o assorbono non in quantità continue, ma in fasci di energia, detti quanti.
Incorporando il lavoro di Bohr e Chadwick, l'immagine moderna dell'atomo si presenta così: la maggior parte dell'atomo è spazio vuoto. Gli elettroni con carica negativa orbitano attorno a un nucleo piccolo ma pesante composto da protoni e neutroni. Poiché la teoria quantistica, che si basa sul principio di indeterminazione, considera gli elettroni sia come onde che come particelle, non possono essere localizzati in modo definitivo. Puoi solo parlare della probabilità che un elettrone si trovi in una posizione particolare, quindi gli elettroni formano una nuvola di probabilità attorno al nucleo.
Il numero di neutroni nel nucleo è solitamente uguale al numero di protoni, ma può essere diverso. Gli atomi di un elemento che hanno un diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi di quell'elemento. La maggior parte degli elementi ha uno o più isotopi e alcuni ne hanno diversi. Lo stagno, ad esempio, ha 10 isotopi stabili e almeno il doppio di quelli instabili, il che gli conferisce una massa atomica media significativamente diversa dal doppio del suo numero atomico. Se la scoperta del neutrone da parte di James Chadwick non fosse mai avvenuta, sarebbe impossibile spiegare l'esistenza degli isotopi.
Il contributo di James Chadwick alla bomba atomica
La scoperta del neutrone da parte di Chadwick portò direttamente allo sviluppo della bomba atomica. Poiché i neutroni non hanno carica, possono penetrare più profondamente nei nuclei degli atomi bersaglio rispetto ai protoni. Il bombardamento di neutroni dei nuclei atomici è diventato un metodo importante per ottenere informazioni sulle caratteristiche dei nuclei.
Non ci è voluto molto agli scienziati per scoprire, tuttavia, che bombardare l'uranio-235 super pesante con neutroni era un modo per rompere i nuclei e rilasciare un'enorme quantità di energia. La fissione dell'uranio produce più neutroni ad alta energia che rompono altri atomi di uranio e il risultato è una reazione a catena incontrollabile. Una volta che questo era noto, si trattava solo di sviluppare un modo per avviare la reazione di fissione su richiesta in un involucro consegnabile. Fat Man e Little Boy, le bombe che distrussero Hiroshima e Nagasaki, furono il risultato dello sforzo bellico segreto noto come Progetto Manhattan, condotto proprio per questo.
Neutroni, radioattività e oltre
La teoria atomica di Chadwick permette anche di comprendere la radioattività. Alcuni minerali naturali – così come quelli artificiali – emettono spontaneamente radiazioni, e la ragione ha a che fare con il numero relativo di protoni e neutroni nel nucleo. Un nucleo è più stabile quando ha un numero uguale, e diventa instabile quando ne ha più di uno che di un altro. Nel tentativo di ritrovare la stabilità, un nucleo instabile emette energia sotto forma di radiazioni alfa, beta o gamma. La radiazione alfa è composta da particelle pesanti, ciascuna composta da due protoni e due neutroni. La radiazione beta consiste di elettroni e radiazione gamma di fotoni.
Come parte dello studio dei nuclei e della radioattività, gli scienziati hanno ulteriormente sezionato protoni e neutroni per scoprire che sono essi stessi composti da particelle più piccole chiamate quark. La forza che tiene insieme protoni e neutroni nel nucleo è chiamata forza forte e quella che tiene insieme i quark è nota come forza del colore. La forza forte è un sottoprodotto della forza del colore, che a sua volta dipende dallo scambio di gluoni, che sono ancora un altro tipo di particella elementare.
La comprensione resa possibile dal modello atomico di James Chadwick ha portato il mondo nell'era nucleare, ma la porta verso un mondo molto più misterioso e intricato è spalancata. Ad esempio, un giorno gli scienziati potrebbero dimostrare che l'intero universo, compresi i nuclei atomici ei quark di cui sono fatti, è composto da stringhe infinitesimali di energia vibrante. Qualunque cosa scoprano, la faranno sulle spalle di pionieri come Chadwick.