Il primo novecento

Nel 1911 Ernst Rutherford, profondo studioso della radioattività, testò il modello atomico di Thomson mediante un esperimento condotto con i suoi collaboratori Geiger e Marsden: un fascio di particelle Alfa venne usato per bombardare una sottile lamina d’oro dietro la quale si trovava uno schermo di solfuro di zinco che aveva lo scopo di segnalare l’arrivo delle particelle che avevano attraversato la lamina nonché di misurarne eventuali deviazioni. Se il modello di Thomson fosse stato corretto, i raggi dovevano essere deviati in maniera lieve. Ciò che invece si verificò fu che la maggior parte dei raggi non veniva deviata affatto e solo l’1% subiva una deviazione massiccia se non addirittura un’inversione di rotta. Tali risultati potevano essere spiegati solo se si ammetteva che l’intera carica positiva fosse concentrata in uno spazio piccolissimo, il nucleo atomico. Gli elettroni dovevano trovarsi all’esterno di quest’ultimo, a grande distanza   da esso, ed è in questo spazio che erano passati i raggi Alfa.

Il modello di Rutherford sostituì quello di Thompson: gli elettroni si trovavano a grande distanza dal nucleo e dovevano anche ruotargli intorno: era, infatti, necessaria una forza centrifuga per bilanciare quella elettrostatica che altrimenti avrebbe provocato la caduta dell’elettrone sul nucleo e quindi annichilazione.

Il modello di Rutherford, ricordando quello dei pianeti, fu definito modello planetario

Vi era però un grave problema: secondo la teoria elettromagnetica una carica elettrica in movimento su un’orbita circolare avrebbe dovuto emettere onde elettromagnetiche perdendo  energia. Tale perdita di energia da parte dell’elettrone avrebbe allora fatto si che la sua orbita diventasse sempre più stretta fino alla caduta sul nucleo. 

Vi erano problemi anche sull’interazione protone – elettrone: nel 1920 Rutherford predisse l’esistenza del neutrone come particella da accoppiare al protone nel nucleo al fine di giustificare l’elevata stabilità degli atomi (fu poi scoperta nel 1932 dal fisico inglese Chadwick). 

Nel 1900 Max Planck teorizzò che i possibili valori dell’energia delle onde elettromagnetiche dovessero essere discreti, cioè che l’energia potesse assumere solo determinati valori. Il fisico tedesco introdusse una costante, chiamata poi costante di Planck (h ), per relazionare il valore dell’energia dell’onda elettromagnetica   alla sua frequenza  \nu:

E=h \nu.

Questa formula fu utilizzata da Einstein per spiegare l’effetto fotoelettrico: lo scienziato  mostrò come i campi elettromagnetici fossero costituiti da particelle o quanti elementari, chiamati fotoni dopo il 1926 . Quando un fotone veniva assorbito da un elettrone, questo acquistava tutta la sua energia e, se questa era abbastanza grande, poteva sfuggire all’attrazione dell’atomo a cui era legato.

Nel 1916, Einstein ipotizzò che i fotoni dovessero trasportare anche quantità di moto, oltre che energia.

Gli esperimenti che fornirono la più diretta conferma del comportamento corpuscolare della luce furono eseguiti da Arthur Compton nel 1923-24.

Ricapitolando: Planck e Einstein stabilirono che ad una radiazione di frequenza   era associato un quanto di energia   (fotone) definita da \epsilon =h \nu  , dove  h è la costante di Planck (h=6,625 \cdot 10^{-27} erg \cdot sec). Tale formula esprimeva il fatto che una radiazione manifestava la propria energia in modo discontinuo, per quanti di energia \epsilon  , e mostrava la relazione fra il valore di questi quanti e la frequenza della radiazione.


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