Questo post (ahimè decisamente lungo e "difficile") spiega in modo chiaro ed esauriente perché la meccanica classica non è in grado di spiegare la realtà subatomica mentre la teoria quantistica lo fa in modo estremamente convincente. La comprensione richiede alcune conoscenze preliminari di matematica e scienze a livello liceale.
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Il
nucleo di un atomo è decine di migliaia di volte più piccolo
dell'atomo stesso, questo è un dato acclarato.
Però:
ATTENZIONE! I nuclei atomici in una molecola
non
sono
piccoli punti
e
non
ci sono spazi vuoti all'interno dell'atomo.
L’
immagine dell’atomo
vuoto
è probabilmente l’errore più ripetuto nella scienza popolare.
Carl Sagan, nella sua serie TV classica Cosmos
(1980), concluse così:
[La
maggior parte della massa di un atomo è nel suo nucleo; gli
elettroni, al confronto, sono solo nuvole di lanugine in movimento.
Gli atomi sono principalmente spazio vuoto. La materia è composta
principalmente da nulla].
L’affermazione
di Sagan non riconosceva alcune caratteristiche fondamentali degli
atomi e delle molecole. Le idee che alimentano l’idea dell’atomo
vuoto possono essere smantellate interpretando attentamente la
teoria quantistica,
che descrive la fisica delle molecole, degli atomi e delle particelle
subatomiche. Secondo
la teoria quantistica, gli elementi costitutivi della materia –
come gli elettroni, i nuclei e le molecole che formano – possono
essere rappresentati come onde
o particelle.
Lasciandoli evolvere da soli, si comportano come onde delocalizzate
sotto forma di nuvole
continue.
D'altra parte, quando
tentiamo di osservare questi sistemi, sembrano particelle
localizzate, qualcosa di simile ai proiettili nel regno classico.
Ma accettare le
previsioni quantistiche secondo
cui nuclei ed elettroni riempiono lo spazio come nuvole continue ha
un prezzo concettuale: implica che queste
particelle non vibrino, non ruotino o non orbitino.
La
maggior parte dei problemi che circondano la descrizione del mondo
submolecolare derivano da tentativi di conciliare immagini
contrastanti di onde e particelle, lasciandoci con chimere incoerenti
come nuclei (simili
a particelle)
circondati da elettroni simili a onde. Questa immagine non è
quella delle
previsioni della teoria quantistica. Per compensare, la nostra
ricostruzione concettuale della materia a livello submolecolare
dovrebbe descrivere in modo coerente come si comportano i nuclei e
gli elettroni quando non vengono osservati, come il proverbiale suono
di un albero che cade nella foresta senza nessuno intorno.
Ecco
un'introduzione su come pensare ai componenti fondamentali della
materia: una
molecola è un insieme stabile
di nuclei ed elettroni.
Se
l'insieme contiene un solo nucleo si chiama atomo.
Gli
elettroni sono particelle elementari prive di struttura interna e
dotate di carica elettrica negativa.
Ogni nucleo è un sistema combinato composto da diversi protoni e un
numero più o meno uguale di neutroni. Ogni protone e neutrone è
1.836 volte più massiccio di un elettrone. Il protone ha una carica
positiva della stessa grandezza della carica negativa di un
elettrone, mentre i neutroni, come suggerisce il nome, non hanno
carica elettrica. Di solito, ma non necessariamente, il numero totale
di protoni in una molecola è uguale al numero di elettroni, rendendo
le molecole elettricamente neutre.
L'interno
dei protoni e dei neutroni
è probabilmente il luogo più complesso dell'Universo. Mi piace
considerare ciascuno di essi una zuppa
calda di tre particelle elementari permanenti conosciute come quark
che ribollono al loro interno, con un numero innumerevole di quark
virtuali che compaiono e scompaiono quasi immediatamente.
Altre particelle elementari chiamate gluoni tengono la zuppa
all'interno di una pentola di raggio 0,9 femtometri . (Un femtometro,
abbreviato fm, è una scala conveniente che misura sistemi decine di
migliaia di volte più piccoli di un atomo. Corrispondenti a 10-15
m, dobbiamo sovrapporre 1 trillion di femtometri per ottenere un
millimetro.) Nota bene: il trillion, da non confondersi con il
trillione, è il prefisso equivalente a 1000
miliardi
(1012
ossia il nostro bilione).
Ai fini divulgativi tale differenza è del tutto ininfluente
trattandosi di valori inconcepibilmente piccoli! (NdT)
Particelle
con lo stesso segno di carica elettrica si respingono e quindi sono
necessarie ulteriori interazioni per mantenere i protoni ravvicinati
nel nucleo. Queste interazioni nascono da coppie di quark e antiquark
chiamate pioni
che fuoriescono costantemente da ciascun protone e neutrone per
essere assorbite da un'altra particella simile nelle vicinanze.
L'energia scambiata in questo trasferimento è abbastanza grande da
compensare la repulsione elettrica tra i protoni e, quindi, legare
insieme protoni e neutroni, immagazzinando l'immensa energia che può
essere liberata nei processi di fissione nucleare.
Tuttavia,
la durata estremamente breve dei pioni limita la distanza tra protoni
e neutroni, limitando la dimensione del nucleo a un raggio compreso
tra 1 e 10 fm. Pertanto, dal
punto di vista delle particelle, il nucleo è minuscolo rispetto a un
atomo,
mediamente da 60000 a 180000 volte più piccolo.
Se
gli atomi
e le molecole
rimanessero un insieme di particelle puntiformi, sarebbero
per lo più spazio vuoto. Ma alla
loro scala dimensionale, devono essere descritti dalla teoria
quantistica.
E questa
teoria prevede che l'immagine ondulatoria predomini finché una
misurazione non la disturba. Invece di proiettili localizzati nello
spazio vuoto, la materia si delocalizza in nuvole quantistiche
continue.
La
materia è fondamentalmente quantistica.
Le
molecole non possono essere assemblate secondo le regole della fisica
classica.
Le
classiche interazioni elettriche tra nuclei ed elettroni non sono
sufficienti per costruire una molecola stabile.
A causa dell'attrazione elettrica delle cariche di segno opposto, gli
elettroni caricati negativamente si muoverebbero rapidamente a
spirale verso i nuclei caricati positivamente e si incollerebbero ad
essi. Le particelle combinate risultanti, prive di carica netta, si
disperderebbero, impedendo la formazione di qualsiasi molecola.
Due
proprietà quantistiche evitano questo destino.
La
prima proprietà deriva dal principio
di indeterminazione
di Heisenberg,
secondo il quale una particella
quantistica non può trovarsi contemporaneamente in una posizione
precisa e avere velocità zero.
Ciò implica che un elettrone non può incollarsi a un nucleo perché
entrambe le particelle si troverebbero in un luogo ben definito e a
riposo l’una rispetto all’altra, sfidando una regola centrale del
mondo quantistico.
La
seconda proprietà quantistica è il principio
di esclusione di Pauli.
I componenti fondamentali della materia si dividono in due tipi,
bosoni e fermioni. I gluoni all'interno del protone sono esempi di
bosoni. Possiamo averne quanti vogliamo, condividendo la stessa
posizione contemporaneamente. D’altra parte, i fermioni – come
elettroni, quark, protoni e neutroni – obbediscono a una regola
molto più restrittiva chiamata principio di esclusione di Pauli: due
fermioni identici non possono occupare contemporaneamente lo stesso
spazio e avere lo stesso spin (una proprietà quantistica analoga a
una rotazione classica di una particella attorno al proprio asse).
Con
tutti questi effetti codificati nell’equazione
di Schrödinger,
l’equazione principale della teoria quantistica, si
prevede che i nuclei e gli elettroni puntiformi debbano, in effetti,
comportarsi come onde.
Si
delocalizzano in nuvole quantistiche
molto più grandi della dimensione dell'immagine delle particelle per
soddisfare il principio di indeterminazione di Heisenberg, con gli
elettroni modellati in nuvole diverse per soddisfare il principio di
esclusione di Pauli. Più le particelle sono leggere, maggiore è la
delocalizzazione. Pertanto, una
singola nube elettronica può diffondersi su più nuclei, formando un
legame chimico e stabilizzando la molecola.
La
teoria quantistica prescrive una relazione precisa tra le immagini
delle onde e delle particelle. Le
nuvole dell'immagine ondulatoria sono descritte matematicamente da
una funzione d'onda, essenzialmente
un'equazione
che attribuisce un'intensità ad ogni punto dello spazio e come
queste intensità cambiano nel tempo.
La funzione d'onda è analoga alle funzioni matematiche che
descrivono le onde convenzionali del suono o dell'acqua, ma con la
particolarità di avere una componente
numerica immaginaria,
che è negativa al quadrato.
Il
quadrato del modulo della funzione d'onda (un'operazione matematica
che produce sempre numeri positivi) dà la probabilità di trovare la
particella in ogni punto dello spazio se tentiamo di osservarla. Più
densa è la nuvola, maggiori sono le probabilità di osservare la
particella lì.
Tuttavia,
interpretare la nuvola quantistica come probabilità non significa
che sia solo una misura della mancanza di conoscenza del sistema. Se
lasciassi le chiavi in una delle due tasche della giacca, ma non
fossi sicuro di quale, potrei scrivere una funzione di probabilità
con un valore del 50 % in ogni tasca e un valore zero in ogni altro
punto del mio ufficio. Questa funzione ovviamente non implica che le
mie chiavi siano delocalizzate sulle due tasche. Dichiara
semplicemente la mia ignoranza, che può essere facilmente risolta
controllando la giacca.
Nel
mondo quantistico, la funzione d’onda rappresenta più di una
semplice mancanza di conoscenza. I
sistemi delocalizzati – come le nuvole nucleari ed elettroniche –
causano fenomeni che le particelle localizzate non possono spiegare.
L'esistenza di legami chimici che formano le molecole è un esempio
diretto dell'effetto della delocalizzazione elettronica. Nel caso
della delocalizzazione nucleare, uno dei suoi effetti principali è
quello di aumentare le possibilità che un nucleo di idrogeno (un
singolo protone) fluisca da una molecola a un'altra vicina. Questo
tipo di trasferimento protonico potenziato ha conseguenze biologiche
drammatiche, come l’aumento
dell’acidità di enzimi specifici rispetto a quanto sarebbero acidi
se i nuclei di idrogeno si comportassero come particelle.
Sebbene
le nuvole di elettroni siano comunemente rappresentate nella scienza
popolare e nella chimica, la delocalizzazione del nucleo è spesso
interpretata come vibrazioni e rotazioni. Ma queste sono solo
analogie classiche, anche se utili. Da
una prospettiva quantistica
e per coerenza concettuale, i
nuclei dovrebbero essere rappresentati sullo stesso piano degli
elettroni, come delle nuvole.
Un
altro malinteso ancora è che gli atomi siano vuoti perché la loro
massa è nel nucleo. La massa atomica è infatti altamente
localizzata.
In una molecola di ammoniaca (NH3),
l'82 % della massa si trova nel nucleo di azoto. Se aggiungiamo le
masse delle tre nubi di protoni, esse rappresentano il 99,97 % del
totale. Pertanto la grande nuvola di elettroni trasporta solo lo 0,03
% della massa.
L’associazione
tra questa concentrazione di massa e l’idea che gli atomi siano
vuoti deriva da una
visione errata secondo cui la massa è una proprietà della materia
che riempie uno spazio.
Tuttavia, questo concetto non regge ad un esame attento, nemmeno nel
nostro mondo a misura d’uomo. Quando accumuliamo oggetti uno sopra
l'altro, ciò che li tiene separati non è la loro massa ma la
repulsione elettrica tra gli elettroni più esterni nelle molecole a
contatto. (Gli elettroni non possono collassare sotto pressione a
causa dell'incertezza di Heisenberg e dei principi di esclusione di
Pauli). Pertanto, la carica elettrica dell'elettrone alla fine
riempie lo spazio.
Negli
atomi e nelle molecole, gli elettroni sono ovunque! Pertanto, quando
vediamo che gli atomi e le molecole sono pieni di elettroni, l'unica
conclusione ragionevole è che sono pieni di materia, non il
contrario. Nonostante tutto ciò chiunque rischia di trovarsi di
fronte a diagrammi
di elettroni orbitanti in gusci, come strati concentrici e separati
con spazio vuoto tra di loro.
L’idea che questi diagrammi rappresentino la realtà fisica è un
terzo malinteso
comune.
Gli elettroni non orbitano letteralmente attorno al nucleo atomico
sotto forma di questi gusci.
Negli
atomi e nelle molecole, gli
elettroni devono avere energie specifiche, ciascuna energia associata
a una particolare forma di nuvola.
Consideriamo, ad esempio, un atomo con un singolo elettrone.
Nell'energia più bassa possibile, il livello energetico
fondamentale, questo elettrone si delocalizza in una nuvola sferica,
densa al centro dell'atomo e che gradualmente svanisce. Le funzioni
d'onda a singolo elettrone che descrivono queste nubi sono chiamate
orbitali.
A
livelli energetici più elevati, il singolo elettrone si delocalizza
in nubi più complesse con sfere annidate, macchie multiple o
addirittura forme a ciambella. Pertanto, quando si parla di atomi e
molecole, gli elettroni non sono piccole particelle che sfrecciano
caoticamente attorno ai nuclei fino a diventare una nuvola confusa,
come spesso raffigurato. E gli elettroni non sono negli
orbitali, né li popolano.
Gli
elettroni
sono
gli orbitali. Sono
nuvole delocalizzate.
Con
gli elettroni multipli le cose diventano molto più complicate.
Quando si ha a che fare con sistemi multielettronici (che comprendono
praticamente tutte le molecole), la teoria quantistica non distingue
più tra ciascun elettrone; sono tutti descritti da un'unica funzione
d'onda, un'unica nuvola. Tuttavia, gli
orbitali dei singoli elettroni rappresentano ancora
un'approssimazione valida che i chimici utilizzano costantemente per
razionalizzare le reazioni chimiche.
La
funzione d'onda multielettronica assomiglia a una composizione di
queste singole nuvole che si sovrappongono all'interno del volume che
definisce la molecola.
Si sentono l'un l'altro; si ricombinano in nuove forme; alcuni si
gonfiano e altri si restringono; le
nuvole si inclinano, si allungano e si torcono fino ad adattarsi
comodamente, occupando ogni spazio disponibile.
Una
molecola è un oggetto statico senza alcun movimento interno.
Le
nuvole quantistiche di tutti i nuclei e gli elettroni rimangono
assolutamente immobili per una molecola con un'energia ben definita.
Il
tempo è irrilevante.
La
teoria quantistica non prevede nuclei vibranti o elettroni orbitanti
e rotanti;
quelle caratteristiche dinamiche sono analoghi classici alle
proprietà quantistiche intrinseche. Il momento angolare, ad esempio,
che nella fisica classica quantifica la velocità di rotazione, si
manifesta come macchie nella funzione d'onda. Più numerose sono le
bolle, maggiore è il momento angolare, anche se nulla ruota.
Il
tempo, però, entra in gioco quando una molecola si scontra con
un’altra, innescando una reazione chimica.
Poi scoppia una tempesta. L'equilibrio
quantistico esplode quando i segmenti della nuvola elettronica si
riversano da una molecola all'altra.
Le nuvole si mescolano, rimodellano, si fondono e si dividono. Le
nubi nucleari si riorganizzano per adattarsi alla nuova
configurazione elettronica, a volte anche migrando tra le molecole.
Per una frazione di picosecondo (10-12
secondi o un miliardesimo di millisecondo), la tempesta infuria e
rimodella il paesaggio molecolare finché non viene ripristinata
l'immobilità nei composti appena formati.
Un
osservatore imparziale scoprirebbe che i nuclei e gli elettroni sono
nubi maestose, stabili, strutturate e compatte, che guidano ogni
aspetto della materia come la conosciamo.
Il
nostro linguaggio comune, le nostre intuizioni e persino i processi
di ragionamento di base non sono adatti ad affrontare la teoria
quantistica, questo mondo alieno di stranezza circondato da paesaggi
bizzarri a cui per lo più non riusciamo a dare un senso. E ci sono
così tante cose che non capiamo. Dobbiamo ancora imparare come
conciliare il duplice comportamento ondulatorio e particellare della
materia. Non
sappiamo nemmeno se le funzioni d'onda abbiano realtà oggettiva.
I nostri cervelli si sciolgono, di fronte alle molteplici potenziali
interpretazioni della teoria quantistica, al punto che scienziati
eminenti sembrano aver
rinunciato alla speranza
che potessimo raggiungere un consenso scientifico. Chiudiamo un
occhio sui trucchi che portano dalla costruzione concettuale della
teoria quantistica alle previsioni effettive.
Potremmo
conformarci al 'Stai zitto e calcola!' atteggiamento
che ha accompagnato le previsioni sempre più strane della teoria
quantistica, che ha consentito gli eccezionali progressi tecnologici
degli ultimi 100 anni, dai laser ai microprocessori. Non vogliamo
però fare solo previsioni utili. Generazioni di scienziati e
divulgatori scientifici fanno del loro meglio per tradurre tutta
questa stranezza in metafore amichevoli di un corpo teorico ancora
pieno di mistero. Costruiamo nuove immagini mentali del mondo
quantistico un passo alla volta, anche correndo il rischio di
inciampare qua e là.
La
descrizione del mondo quantistico-molecolare che ho presentato poggia
su basi comodamente sicure.
Si basa su un dominio di teoria quantistica che è altamente
consensuale tra gli specialisti. È la piazza cittadina di quella che
il premio Nobel Frank
Wilczek
chiamava la Teoria del Nucleo, la struttura fisica che descrive le
particelle fondamentali, le loro interazioni e la relatività
generale di Albert Einstein. I
fisici sono così fiduciosi nella stabilità di questo nucleo che
credono che dovrebbe persistere in qualsiasi nuova teoria della
materia sviluppata in futuro.
24
agosto 2023
Traduzione
in italiano (mia) e sintesi (mia) del post:
https://aeon.co/essays/why-the-empty-atom-picture-misunderstands-quantum-theory
di
Mario
Barbatti,
chimico e fisico teorico. È professore di chimica all'Università di
Aix Marsiglia in Francia e membro senior dell'Institut Universitaire
de France.
