Chi ha scoperto la teoria delle particelle?

La teoria delle particelle della materia non fu tanto scoperta quanto formulata, e tale formulazione iniziò nell'antica Grecia.

La persona a cui si attribuisce l'idea che il mondo sia composto da minuscole particelle indivisibili è il filosofo Democrito, vissuto dal 460 al 370 a.C. Ha ideato un esperimento per dimostrare la sua idea, e mentre l'esperimento di Democrito può sembrare eccessivamente semplicistico oggi, ha contribuito a far nascere il concetto di atomo, che è centrale per la moderna comprensione di importa.

Nei secoli che seguirono l'esperimento, la teoria delle particelle di Democrito non fece molti progressi, ma a cavallo del diciannovesimo secolo fu ripreso dal chimico e fisico inglese John Dalton (1766 - 1844).

Il lavoro di Dalton è rimasto praticamente invariato per la parte migliore di un secolo fino a quando non è stato coinvolto un gruppo di fisici moderni che includeva nomi come Thompson, Rutherford, Bohr, Planck ed Einstein. Fu allora che iniziarono a volare scintille e il mondo entrò nell'era nucleare.

Sembra che la parola "democrazia" possa essere derivata dal suo nome, ma Democrito non era un filosofo politico. La parola in realtà deriva dalle parole greche demo, che significa "la gente", e kratein, che significa "governare".

Noto come il "filosofo che ride" per la grande importanza che attribuiva all'allegria, Democrito coniò un'altra parola importante: atomo. Si riferiva alle piccole particelle che compongono ogni cosa nell'universo come atomico, che significa non tagliabile o indivisibile.

Questo non fu il suo unico contributo pionieristico alla scienza. Democrito fu anche il primo a postulare 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 persino postulato l'esistenza di più universi, un'idea che è oggi all'avanguardia della scienza.

Secondo Aristotele (384 - 322 a.C.), Democrito credeva che l'anima umana fosse composta da atomi di fuoco e il corpo da atomi di terra. Ciò era contrario alla credenza di Aristotele che il mondo fosse costituito dai quattro elementi aria, fuoco, terra e acqua, e che il rapporto degli elementi determinasse le caratteristiche della materia.

Aristotele credeva addirittura che gli elementi potessero trasformarsi l'uno nell'altro, idea che alimentò la ricerca della Pietra Filosofale per tutto il Medioevo.

Né Aristotele né l'altrettanto influente Platone (circa 429 - 347 a.C.) aderirono al Teoria delle particelle di Democrito, e ci vorrebbero 2000 anni per prendere il "filosofo che ride"" sul serio. Questo potrebbe avere qualcosa a che fare con l'esperimento che Democrito escogitò per dimostrare la sua teoria, che era poco convincente.

Democrito ragionava 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 eseguì questo esperimento con una conchiglia, e quando ridusse la conchiglia in una polvere fine che non poteva più tagliare in pezzi più piccoli, considerò quella prova del suo teorema.

Democrito era un materialista, a differenza di Platone e Aristotele, che credevano che gli scopi degli eventi fossero più importanti delle loro cause. Fu un pioniere della matematica e della geometria, e all'epoca era tra le poche persone che credevano che la terra fosse sferica. Anche se non poteva dimostrarlo in modo convincente, la sua concezione degli atomi esistenti per lo più nello spazio vuoto, ciascuno con un piccolo gancio in stile velcro che gli permetteva di connettersi con altri atomi, non è così lontano dal moderno modello scientifico del of atomo.

La teoria di Democrito era corretta? La risposta è un sì qualificato, ma non è stato nemmeno considerato come una possibilità fino al 1800. Fu allora che John Dalton lo rivisitò mentre stava lavorando alla Legge di Composizione Costante avanzata dal chimico francese Joseph Proust. La legge di Proust derivava direttamente dalla Legge di conservazione della massa, scoperta da un altro chimico francese, Antoine Lavoisier.

La legge di composizione costante afferma che un campione di un composto puro, non importa come si ottiene, contiene sempre gli stessi elementi nelle stesse proporzioni di massa. Dalton si rese conto che questo poteva essere vero solo se la materia fosse costituita da particelle indivisibili, che chiamò atomi (con un cenno del capo a Democrito). Dalton ha fatto quattro affermazioni sulla materia che insieme costituiscono la sua teoria atomica:

• Tutta la materia è composta da particelle indistruttibili e indivisibili chiamate atomi.
• Gli atomi di un elemento specifico sono identici in massa e proprietà.
• Gli atomi possono combinarsi per formare composti.
• Quando si verifica una reazione chimica, è dovuta a un riarrangiamento degli atomi.

La teoria atomica di Dalton rimase praticamente invariata per la maggior parte del diciannovesimo secolo.

Per tutto il diciannovesimo secolo, era infuriato un dibattito sulla natura della luce, se si propagasse come un'onda o una particella. Molti esperimenti hanno confermato l'ipotesi dell'onda, e molti altri hanno confermato quella corpuscolare. Nel 1887, il fisico tedesco Heinrich Hertz scoprì l'effetto fotoelettrico mentre stava facendo esperimenti con un generatore di spinterometro. Questa scoperta si è rivelata molto più importante di quanto Hertz si rendesse conto.

In quel periodo, il fisico inglese J.J. Thompson scoprì la prima particella subatomica, l'elettrone, esaminando il comportamento dei raggi catodici. La sua scoperta ha aiutato a spiegare cosa costituisse la scarica elettrica da una piastra conduttiva quando si illumina di luce su di essa - che è il effetto fotoelettrico – ma non ciò che provoca la scarica né perché la forza dell'impulso elettrico è correlata alla frequenza della luce. La soluzione doveva aspettare fino al 1914.

Nientemeno 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 dei quanti e per essa gli fu assegnato il Premio Nobel.

I quanti, come li concepiva Planck, erano sia particelle che onde allo stesso tempo. 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 Planck per dare al modello planetario dell'atomo, che era stato proposto dal fisico neozelandese Ernest Rutherford nel 1911, un rifacimento quantistico.

Nel modello dell'atomo di Bohr, gli elettroni possono cambiare orbite emettendo o assorbendo un fotone, ma poiché i fotoni sono pacchetti discreti, gli elettroni possono cambiare le orbite solo in quantità discrete. Due sperimentatori, James Franck e Gustav Hertz, hanno ideato un esperimento che ha confermato quello di Bohr ipotesi bombardando atomi di mercurio con elettroni, e lo hanno fatto senza nemmeno saperlo Il lavoro di Bohr.

Con due modifiche, il modello di Bohr è sopravvissuto fino ai giorni nostri, sebbene la maggior parte dei fisici moderni lo consideri 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. Puoi 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.