Ho un paio di domande sull’atomo di idrogeno: esso è costituito da un protone nel nucleo ed un elettrone nel primo guscio. Però queste due particelle hanno carica opposta, quindi agisce la forza di Coulomb che le spinge l’una verso l’altra e, a causa del secondo principio della dinamica F=am, dovrebbero prima o poi scontrarsi. Questo, però, non accade e quindi c’è indubbiamente un’altra forza di verso opposto che mantiene le due particelle distanti. Di che forza si tratta? So poi, avendo studiato gli orbitali, che l’elettrone ha un moto abbastanza irregolare intorno al nucleo senza giacere su un’orbita fissa e quindi la sua velocità cambia, fosse anche solo in direzione, e per i principi della dinamica cambiamento di velocità vuol dire accelerazione e quindi azione di una forza. Si tratta della stessa forza di cui sopra? Grazie in anticipo.

Effettivamente le due particelle che compongono l’atomo di idrogeno interagiscono attraverso una forza attrattiva dato che tra loro si esplica la forza di Coulomb che, per cariche di segno opposto, è attrattiva.
Tuttavia quando due corpi interagiscono attraverso una forza attrattiva non necessariamente sono destinati a collidere o comunque ad avvicinarsi indefinitamente. Per convincersi di questo basta pensare al sistema Terra-Sole: anche la Terra e il Sole interagiscono tramite una forza attrattiva (la forza di gravità in questo caso), però non si scontrano (per fortuna), né la Terra si avvicina inesorabilmente al Sole, i periodi di avvicinamento sono sempre seguiti da periodi di allontanamento in eguale misura e sono dovuti al fatto che l’orbita della Terra non è circolare ma ellittica.
Tornando all’atomo di Idrogeno la situazione è molto simile: puoi considerare l’elettrone come orbitante intorno al nucleo su un’orbita circolare o ellittica in cui la forza di Coulomb gioca il ruolo di forza centripeta che tiene il sistema ancorato. Senza necessità che sia presente un’altra forza.
Analizzando i sistemi orbitanti bisogna sempre tenere presente che la presenza di un accelerazione non necessariamente corrisponde ad un avvicinamento tra i corpi. Nel moto circolare uniforme il corpo orbitante è sottoposto ad un’accelerazione (l’accelerazione centripeta) che è la responsabile della curvatura della traiettoria. Questa accelerazione è legata alla forza attrattiva dalla solita uguaglianza F=ma, che quindi non è violata anche se non c’è un avvicinamento relativo tra i due corpi.

Questo però vale a livello di ragionamento classico, cioè se ragioniamo utilizzando le leggi della Meccanica Classica. In realtà per studiare con precisione sistemi come l’atomo di Idrogeno è necessario utilizzare la Meccanica Quantistica, che è profondamente diversa. É in questo corpus teorico che emerge il concetto di orbitale.
In tal caso è vero che la posizione dell’elettrone non può più essere descritta come un punto di una traiettoria ben definita, ma la posizione dell’elettrone si trova confinata in una certa regione (quella che chiamiamo orbitale) con una probabilità molto alta.
Purtroppo spesso i testi scolastici, per evitare di scendere in profondità, descrivono questa situazione dicendo che l’elettrone si muove intorno al nucleo con una traiettoria irregolare, in cui direzione e modulo della velocità cambiano continuamente. Questa immagine, anche se molto più semplice da comprendere, è però completamente errata e fuorviante: l’elettrone, come qualsiasi oggetto abbastanza piccolo da dover essere descritto quantisticamente, non possiede una traiettoria. Questo concetto non ha senso, in quanto per poter definire una traiettoria è necessario poter misurare posizione e velocità di un oggetto con precisione assoluta, ma in Meccanica Quantistica questo non è possibile neanche in linea di principio (come invece accade in Meccanica Classica).
In Meccanica Quantistica si può solo parlare di probabilità di osservare una particella in un punto piuttosto che in un altro. Gli orbitali degli atomi sono semplicemente la rappresentazione grafica delle zone dello spazio in cui è racchiusa la quasi totalità della probabilità di osservare l’elettrone, nel senso che osservarlo in una zona al di fuori è minima, praticamente trascurabile.
Nella Meccanica Quantistica le incertezze sulla posizione e quantità di moto (che è collegata alla velocità) sono legate tra loro dal Principio di Indeterminazione, che stabilisce che il prodotto di queste incertezze è sempre maggiore di una costante. Questo fa sì che, nella stragrande maggioranza dei sistemi fisici, il sistema non può esistere con qualsiasi valore dell’energia, ma può assumere solo determinati valori ben precisi, separati tra loro da intervalli finiti di valori di energia proibiti. Nel caso dell’atomo di idrogeno esiste un valore, tra questi, che è il più piccolo, che corrisponde allo stato fondamentale e che è lo stato energetico in cui osserviamo la quasi totalità degli atomi esistenti. L’elettrone non cade sul protone perché non ci sono stati energetici permessi che corrispondono a questa situazione (elettrone e protone sovrapposti), ma il minore dei valori (lo stato fondamentale) corrisponde all’elettrone posto ad una distanza media finita dal nucleo.
Quindi anche analizzando l’atomo di Idrogeno dal punto di vista quantistico, non c’è l’azione di alcuna forza supplementare oltre a quella di Coulomb, ma semplicemente l’elettrone resta “sospeso” (ma in moto) ad una distanza finita dal nucleo per motivi cinematici.

Puoi approfondire alcuni aspetti della Meccanica Quantistica consultando le seguenti risposte date in passato su questo sito:
www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=8363
www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8368

Si ringrazia il Dott. Daniele Malesani per alcuni suggerimenti.