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Il problema del modello con orbite a caso….

Socrate sa di non saper immaginare un atomo. Sebbene conosca molte proprietà degli atomi, ancora non è in grado di descrivere nella sua mente con precisione neppure il più semplice, ossia quello composto da un unico elettrone in orbita attorno a un solo protone (per noi Atomo di Idrogeno). Il modello di atomo che tutti conosciamo è quello planetario, proposto dal fisico danese Niels Bohr nel 1913. In questo modello l’atomo è formato da un nucleo attorno al quale ruotano gli elettroni, un po’ come avviene con i pianeti attorno al Sole (lo chiamiamo infatti modello planetario). Secondo Bohr non tutte le orbite sono però permesse: esistono infatti traiettorie “proibite” e altre “speciali” sui quali gli elettroni possono orbitare senza alcun dispendio di energia. Gli elettroni sono però in grado di “saltare” da un’orbita all’altra, e durante questo spostamento emettono o assorbono energia sotto forma di fotoni, ossia particelle di luce. La frequenza della luce emessa o assorbita, vale a dire il suo colore, dipende dalle orbite coinvolte in questo processo. Il grande merito di questo modello era che spiegava in maniera abbastanza naturale come mai se si osserva attraverso un prisma la luce emessa da una sostanza incandescente lo spettro che si ottiene non è continuo, ma è interrotto da una serie di righe nere; come noto sono queste righe la prova vivente dell’esistenza di orbite privilegiate. Il modello di Bohr è ancora oggi insegnato nelle scuole superiori e nei primi anni delle facoltà scientifiche. Questo modello è però impreciso, anche perché non risponde ad alcune domande fondamentali, come ad esempio quella di come fa un elettrone, prima di “saltare”, a sapere dove cadrà esattamente. In realtà, uno dei problemi risiede proprio nel concetto di orbita. Le relazioni di indeterminazione di Werner Heisenberg impongono che sia impossibile misurare con la massima precisione coppie di determinate grandezze collegate tra loro, come la posizione e la velocità di una particella. In meccanica quantistica l’elettrone è considerato a sua volta come un “pacchetto d’onde” che non possiede una posizione precisa all’interno dell’orbita nella quale si trova.
Le equazioni matematiche che descrivono il funzionamento degli atomi ammettono sì come soluzioni particolari proprio le orbite stazionarie di Bohr, ma possiedono anche soluzioni difficili da comprendere, come l’idea che l’elettrone di un atomo di idrogeno possa, in certi momenti, trovarsi a miliardi di chilometri di distanza dal protone attorno a cui starebbe orbitando. Inoltre, non esiste un metodo per risolvere in maniera esatta queste equazioni, ed è quindi impossibile sapere esattamente come si comportano gli elettroni in un certo istante. Il risultato di tutto ciò è che, mentre l’atomo di Bohr è facile da immaginare ma impreciso dal punto di vista concettuale, quello più moderno -che tiene conto di tutti i risultati della meccanica quantistica -è impossibile da immaginare perché presenta alcuni aspetti che tendono al paradosso. Socrate sa di non sapersi immaginare un atomo, e crede che questo mistero lo accompagnerà fino alla morte.

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