I dubbi che ti assillano sono gli stessi di tutte le persone che prima o poi arrivano a dover comprendere come funziona il mondo microscopico. Ti garantisco che gli stessi scienziati, che hanno elaborato i primi mattoni di quella che si chiama oggi meccanica quantistica, hanno incontrato la stessa difficoltà. Io stesso ho avuto i miei problemi a crearmi un'immagine di questo mondo microscopico con l'esame di Istituzioni di Fisica teorica all'università, e ti garantisco che superarlo non è stato facile.

Tutto quello che accade intorno a noi fin da quando siamo piccoli, è regolato dalle leggi della meccanica classica, ed è perciò molto naturale, per noi, prefigurarci quale possa essere il comportamento di una palla che cade o di un oggetto macroscopico che si rompe.

Nello studio del mondo microscopico, questa esperienza non l'abbiamo, perché le leggi della meccanica quantisticasono un po' diverse da quelle della meccanica classica. Questo discorso vale anche per l'infinitamente grande e per le velocità prossime a quella della luce, dove la fisica relativistica ci costringe a fare un altro sforzo di logica e fantasia per immaginare cose e situazioni che vengono sperimentate quotidianamente solo dal Capitano Kirk e dal vulcaniano Spack.

Il sito di Star Trek

Per quanto riguarda la nostra immagine del mondo microscopico, alla fine dell'Ottocento gli scienziati pensano addirittura che tutto sia stato formulato, e che le leggi della meccanica classica possano spiegare ogni cosa. Ma alcuni esperimenti scientifici di quel periodo forniscono delle testimonianze inspiegabili con le leggi fisiche allora conosciute. Lo spettro del corpo nero, l'effetto fotoelettrico e le righe spettrali degli atomi sono i più discussi fenomeni di allora. Anche i raggi X e la radioattività naturale sono spiegati con difficoltà.

"Nessun tentativo di spiegazione di tali leggi, nell'ambito della fisica classica, ebbe successo, neppure dopo che, nel 1911, Rutherford scoprì che l'atomo era un'entità composta e mostrò che esso andava considerato come un sistema costituito da un nucleo centrale massivo, circondato da elettroni periferici.

Questo sistema veniva immediatamente visualizzato come un micro-sistema solare." (Cesare Rossetti, Istituzioni di fisica teorica ).

I problemi a questo punto diventano persino più gravi, perché secondo la fisica classica un simile sistema è necessariamente instabile: secondo le leggi di Keplero gli elettroni, percorrendo orbite analoghe a quelle dei pianeti attorno al Sole, dovrebbero subire accelerazioni che farebbero perdere loro energia cinetica.

Giovanni Keplero

Un primo passo verso una nuova fisica microscopica viene compiuto grazie alla rivoluzionaria idea di Max Planck (1900), che per primo ammette la possibilità che a livello microscopico gli scambi di energia tra radiazione elettromagnetica e materia possano non avvenire con continuità, ma attraverso quanti di energia, ciascuno avente energia proporzionale alla frequenza della radiazione. Tali quanti, detti fotoni, hanno profondamente rivoluzionato il concetto di luce e radiazione. La diatriba tra natura corpuscolare e ondulatoria della luce viene affrontata ammettendo che la luce, e in generale tutta la radiazione elettromagnetica, abbiano una natura "dualistica", con comportamenti ondulatori o corpuscolari che emergono a seconda del tipo di esperimento eseguito.

Molto più lungo e complesso è invece il cammino che i fisici teorici devono percorrere per spiegare la struttura degli spettri atomici e le proprietà dei sistemi atomici in generale. Alla formulazione completa della meccanica quantistica si arriva solo dopo il 1925, in seguito a un lunghissimo e intenso lavoro.

Niels Bohr, ad esempio, rifacendosi al modello planetario dell'atomo di Rutherford, ipotizza che gli elettroni si muovono attorno al nucleo su orbite circolari, e che solo alcune orbite privilegiate (dette stazionarie) possano essere stabili. Gli elettroni possono passare da un'orbita all'altra solo scambiando un quanto di radiazione elettromagnetica di energia pari alle differenze tra i due stati stazionari, dando così una prima interpretazione degli spettri atomici. Nel modello di Bohr, i fisici sono portati a pensare per la prima volta che nei sistemi quantistici alcune quantità fisiche, e in particolare l'energia, possano assumere solo particolari valori discreti.

Grazie al lavoro sperimentale di James Franck e Heinrich Hertz, a quello di Otto Stern e Walther Gerlach, e a quello teorico di Charles T. Wilson, di Arnold Sommerfeld e di Louis Victor De Broglie, risulta sempre più evidente il ruolo della quantizzazione sulle energie e sui momenti angolari dei sistemi atomici, e che analogamente alla radiazione elettromagnetica, ad ogni particella, quale ad esempio l'elettrone, fosse possibile associare un'onda e che anche tali particelle possedessero una natura dualistica.

Da qui al principio di indeterminazione di Heisenberg, il passo è breve.

Arnold Sommerfeld

Un corpuscolo possiede una precisa estensione spaziale. Un'onda presenta caratteristiche quasi opposte, avendo estensione infinita, a meno di non sovrapporre un grande numero di tali onde con lunghezza d'onda diversa, e formando quindi dei "pacchetti" più localizzabili. Se con un esperimento riveliamo la natura corpuscolare di una particella, automaticamente perdiamo di vista l'aspetto ondulatorio. Non è quindi possibile migliorare la definizione spaziale della particella e contemporaneamente il suo momento angolare. Le due grandezza si dicono coniugate. Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger contribuirono, il primo con la meccanica delle matrici e il secondo con la meccanica ondulatoria, a fondare la teoria completa della meccanica quantistica.

Se già dalla scoperta dell'elettrone da parte di Joseph John Thomson e dal lavoro di Charles Wilson è chiaro l'aspetto corpuscolare dell'elettrone, viene comunque anche dimostrata la natura ondulatoria della stessa particella da Clinton Davisson e Lester Halbert Germer, inviando un fascio di elettroni su un cristallo.

L'esperimento chiave per comprendere la natura dualistica dell'elettrone è il seguente. Con un cannone elettronico si invia un fascio di elettroni su uno schermo opaco in cui è stata praticata una fenditura. Al di là della fenditura si pone una lastra fotografica.

Se gli elettroni fossero solo corpuscoli, si dovrebbe formare l'immagine della fenditura sulla pellicola, magari sfocata ai bordi per l'effetto della diffusione.

I risultati sperimentali forniscono invece un risultato diverso: si formano zone annerite e zone "proibite", dove nessun elettrone ha colpito lo schermo. L'analogo delle immagini di diffrazione che si formano quando la luce passa attraverso una fenditura. (Quando le particelle si comportano come onde).

Anche diverse configurazioni non fanno che confermare la natura ondulatoria degli elettroni. Non si deve però pensare che gli effetti ondulatori derivino dall'interazione tra gli elettroni. Le figure infatti si formano anche mandando un elettrone alla volta. Un singolo elettrone colpisce la pellicola, ma solo quando un numero sufficiente di elettroni ha colpito la pellicola si può notare il carattere ondulatorio degli elettroni. Il concetto fondamentale che può aiutarti nella "visualizzazione" di una struttura atomica è quindi il concetto che questo esperimento rivela: l'elettrone non è un'onda di materia, ma il carattere ondulatorio dell'elettrone è associato a un'onda di probabilità di trovarsi in un dato punto in un dato momento. E questo non è altro che il comportamento dell'elettrone attorno al nucleo, e cioè questo è un orbitale.

L'orbitale in qualche modo definisce la probabilità dell'elettrone di trovarsi in un dato settore di spazio in un dato momento, salvo restando il fatto che più si cerca di localizzarne la posizione e meno è possibile definirne l'impulso.

Le geometrie degli orbitali, siano esse a simmetria sferica o simmetriche sugli assi x, y, z dello spazio, o con delle strane forme lobate, dipendono dai numeri quantici principali, che sono legati alle grandezze dette osservabili e che definiscono univocamente e nel modo più completo il sistema atomico. Questi numeri vengono chiamati n, m e l: n è associato all'energia, l al momento angolare e m al momento magnetico. A seconda dei valori di questi numeri, gli orbitali assumono nomi, simmetrie e capacità elettroniche diverse s, p, d ed f. Con Atom in a box puoi divertirti a visualizzare le onde di probabilità corrispondenti ai vari numeri quantici, vedere le transizioni tra gli orbitali e gli spettri corrispondenti.

Spero con questa risposta di aver creato più curiosità che noia. La biologia è fortemente basata sulla confusione tra orbitali...

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