|TECH| La libertà dell’elettrone


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L’elettrone, particella subatomica appartenente alla prima generazione della famiglia dei leptoni, è ritenuta una particella elementare in quanto non si compone di altri costituenti noti. In ogni atomo uno o più elettroni, che formano una nube elettronica orbitante intorno al nucleo, caratterizzano le proprietà chimiche dell’elemento stesso. Nonostante già Faraday nei suoi scritti sul fenomeno dell’elettrolisi1 parlasse di “quantità discrete di elettricità associate agli atomi o atomi di elettricità”, l’identificazione dell’elettrone come particella elementare si deve allo spostamento nel “vuoto” degli studi partendo dall’analisi dei raggi catodici. Se nei fenomeni di elettrolisi le proprietà elettriche erano visibili indipendentemente dagli elementi in esame, dalle analisi effettuate sui raggi catodici nel vuoto si verificò che la natura corpuscolare dell’elettrone era l’unica in grado di spiegare i risultati ottenuti sperimentalmente. Furono gli studi del fisico britannico J.J. Thomson della fine dell’800 a dare una buona approssimazione numerica di massa e carica dell’elettrone2.

Erano state definite le principali proprietà della particella quando, nel 1924 L. de Broglie avanzò l’ipotesi di associare alla particella un’onda elettromagnetica inversamente proporzionale alla quantità di moto della particella stessa3, ipotesi giustificata da un’ analisi critica del modello atomico di Bhor4, modello atomico che, ad oggi, più si avvicina a quello adoperato dalla fisica moderna. Il modello rappresenta un atomo composto dal nucleo formato dai protoni aventi carica elettrica positiva ed i neutroni, elettricamente neutri – il cui insieme compone i nucleoni – e dagli elettroni che, orbitando intorno al nucleo, muovono in orbite quantizzate e circolari, con raggi ed energia ben definiti – si parla per questo di orbite stazionarie o livelli di energia -. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo con velocità tale da bilanciare la forza d’attrazione esercitata dal nucleo stesso, il che rende l’atomo intrinsecamente vuoto se osservato dal punto di vista dell’elettrone. Inoltre l’elettrone può irradiare o assorbire energia soltanto effettuando una transizione da un’orbita ad un’altra, ossia compiendo un lavoro maggiore della forza d’attrazione esercitata dal nucleo il che comporta che, tanto più grande sarà il raggio dell’orbita, quanto più elevata risulterà essere l’energia associata ad essa. L’atomo eccitato, ossia quell’atomo in cui si sia verificata una transizione dall’orbita in cui l’elettrone si trova normalmente ad una di energia quantizzata superiore, non può ritornare allo stato fondamentale liberando un fotone di frequenza qualsiasi ma può emettere soltanto un fotone di energia pari alla differenza energetica tra gli stati coinvolti. Negli anni seguenti le ipotesi di de Broglie furono verificate portando alla formazione di un nuovo modello atomico basato sulla meccanica ondulatoria e in grado di spiegare la disposizione elettronica anche in atomi polielettronici (il modello di Bohr interpreta solo lo spettro dell’atomo di idrogeno). Fu Heisenberg col suo “principio di indeterminazione”5 a comprendere che è impossibile determinare con precisione la posizione dell’elettrone nell’atomo in quanto l’elettrone, per essere rilevato, deve interagire con un fotone che però devia il suo percorso a seguito dell’interazione stessa . Per questo motivo si parla di probabilità di trovare l’elettrone in una precisa posizione dell’orbita, concetto formalizzato in seguito da Schrödinger6 con l’introduzione della funzione d’onda – che altro non è che una funzione di densità di probabilità – . Pertanto, partendo da questo modello, si definisce orbitale non la traiettoria determinata compiuta dall’elettrone bensì l’area in cui è possibile individuare le particelle suddette. Nonostante gli studi abbiano dimostrato l’impossibilità di determinare con assoluta precisione la posizione dell’elettrone all’interno dell’orbita, rimane comunque la certezza che a meno di fenomeni di eccitazione o diseccitazione, l’elettrone continuerà a vagare indisturbato nella sua orbita di equilibrio. 

Questa “libertà vincolata” dell’elettrone mi ha portata a riflettere sul mio lavoro in Each Place, perché, in un certo senso, mi sono sentita anch’io un po’ elettrone. Libera di scrivere ciò che secondo me potesse suscitare interesse non risultando banale, sono inciampata spesso in temi e scadenze trattenendomi in “un’orbita” che per quanto grande era pur sempre limitata e mi ha vincolata all’interno di un meccanismo definito. Proprio come un elettrone ho vagato spensierata seguendo delle regole ben precise alle volte conoscendo perfettamente la meta e altre invece solo il punto di partenza. Ricomincio questo percorso come un elettrone che, eccitato, salta ad un livello energetico superiore, con una piccola esperienza in più, cercando sempre di migliorarmi .

Chiara D’Angelo

1 Leggi dell’elettrolisi 1832. 2 La massa dell’elettrone a riposo è pari a 9,1093826(16)x kg ed ha una carica elettrica di -1,60217653(14)xC. The Corpuscolar Theory Of Matter J. J. Thomson (1907). 3 Recherches sur la Théorie des Quanta. 4 The theory of spectra and atomic constitution, three essays. 5 Uber den anshschaulichen Inhalt der Quantheoretischen Kinematik und Mekanik (1927). 6 Quantisierung als Eingenwertploblem, Annalen der Pysik (1926).