L’approssimazione scolastica che la struttura atomica sia simile al sistema solare dove i pianeti rappresenterebbero gli elettroni è molto ingannevole e non corrisponde alla realtà fisica. Noi conosciamo la traiettoria dei pianeti e la loro velocità. Ne calcoliamo la loro distanza minima e massima dal sole. Sappiamo esattamente la loro posizione in qualunque momento del passato, presente e nel tempo futuro. Invece quando riduciamo notevolmente le dimensioni degli oggetti in modo tale da ottenere ordini di grandezza paragonabili con le dimensioni atomiche, entriamo in un’altra realtà fisica, dove appaiono fenomeni assurdi che vanno contro qualsiasi senso comune della fisica classica. Questo particolare mondo trova precise spiegazioni teoriche di questi strani comportamenti nella fisica quantica.
Dobbiamo togliere dalla testa l’idea che una particella abbia una posizione e una velocità ben definite. Non conosciamo neppure la traiettoria dell’elettrone. Possiamo solo dire che c’è un valore di probabilità di trovarlo in qualche punto di una regione dello spazio atomico definito dal pacchetto d’onda del sistema atomo. Secondo il principio d’indeterminazione con più vogliamo conoscere la sua posizione con meno conosciamo la sua velocità. E se volessimo conoscere la sua velocità perderemmo l’informazione di dove si trova. Quindi, non ha molto significato parlare di distanze tra i nucleoni (protoni e neutroni) ed elettroni come fosse un sistema solare in miniatura. E’ più reale immaginare l’elettrone spalmato nello spazio come una nube elettronica con la massima densità della nube dove la probabilità di trovarlo è alta. Il complesso sistema dinamico detto atomo ha una struttura costituita da un nucleo centrale, dove è racchiusa quasi tutta la massa, circondata e anche penetrata (per i nuclei più pesanti) da una nuvola di elettroni che avvolgono il nucleo.
Sulle dimensioni di un singolo elettrone non sappiamo quasi nulla, tanto da considerarlo un punto matematico senza dimensione, puntiforme (1). L’ordine di grandezza della nuvola e quindi delle dimensioni di un atomo è di 0,1 nm (nanometro = un miliardesimo di metro = 10-9 m). Il diametro del protone è di circa 1 fm (femtometro, qualcuno lo chiama anche fermi, = 10-15 m = un milionesimo di nanometro). I diametri dei nuclei variano da 1 a 10 fm per gli atomi pesanti di oltre 100 nucleoni. La densità di probabilità, P, di trovare gli elettroni in funzione della distanza,r, dal nucleo sono ricavate dalle funzioni d’onda che descrivono le distanze radiali tra il nucleo e l’elettrone. Questa distribuzione risulta dissimmetrica e quantizzata. Per l’idrogeno il massimo valore di probabilità, P(r), per il primo stato fondamentale, di trovare l’elettrone in un guscio sferico di raggio r e spessore s, lo si ha per una distanza, dal protone, di 52,9 pm (picometro = 10-12 m = un millesimo di nanometro) che è uguale al primo raggio di Bohr.
Allo stato solido un cubettino di un nanometro per lato, contiene 10 X 10 X 10 atomi allineati, circa 1000 atomi. E’ questa la scala di misura delle nanotecnologie grazie alla quale, con gli enormi investimenti di ricerca del governo USA, iniziati quindici anni fa, assistiamo alla creazione di nuovi materiali, nuovi dispostivi, nuovi ed inediti progetti. Quando abbiamo a che fare con blocchetti di dimensioni tali da poter quasi contare gli atomi si manifestano fenomeni quantistici detti di confinamento tali da modificare le caratteristiche meccaniche ed elettriche della stessa struttura atomica di dimensioni macroscopiche. Pochi atomi metallici possono diventare trasparenti, altri possono fondere a temperature diverse o cambiare colore. Il tutto senza modificare la composizione chimica. Solo agendo sulle dimensioni! Assemblando blocchetti nanometrici alla grandezza voluta, anche di un solo tipo di atomo, si ottengono nuovi materiali con proprietà tali come se fossero combinazioni chimiche di atomi diversi. Siamo solo all’inizio di una rivoluzione tecnologica che coinvolgerà tutte le discipline scientifiche. L’affermazione, dei nostri libri di testo scolastici, che la molecola o l’atomo sono la più piccola parte in cui si mantengono le caratteristiche elettriche, chimiche e meccaniche di un composto o elemento non è più valida.
Note
1) La rappresentazione che oggetti senza dimensioni ruotino su se stessi come piccoli pianeti può essere utile ma, è fuorviante. La rotazione dell’elettrone non è una rotazione fisica di un corpo su se stesso. E’ un effetto quantistico che fornisce all’elettrone un momento angolare (spin) come se fisicamente ruotasse.
Gianfranco Verbana