VIAGGIO AL CENTRO DEL TUTTO
ATOMI E MOLECOLE
(Claudio Travaglia)
Viaggio al centro del tutto รจ un viaggio immaginario nellโimmensamente piccolo si ispira al capolavoro: โViaggio al centro della terraโ di Jules Verne ed allโaffascinante teoria del tutto (TOE) che, spaziando dallโimmensamente piccolo allโimmensamente grande, cerca di dare delle risposte sui meccanismi che governano lโintero universo.
Scenderemo a piccoli passi dal mondo verso dimensioni sempre piรน minute per esplorare un universo microscopico alla ricerca dei mattoncini all’origine della materia tutta.
Parte seconda
ATOMI E MOLECOLE
Il viaggio continua …
La volta scorsa vi ho lasciati comodamente seduto sul nucleo di un atomo di idrogeno (H). Ho resistito alla tentazione di scendere alle dimensioni sottostanti per conoscere le particelle subatomiche, decidendo di concedere qualche momento di relax a me ed al mio accompagnatore virtuale. Risalire, pertanto, ai livelli superiori e precisamente al piano -10, per incontrare e conoscere meglio molecole ed atomi.
Si! Ma come risalire cinque piani?
In alto vedo lโelettrone ruotare solitario sulla volta superiore dellโatomo di idrogeno. Mi ricordo, in questo preciso istante, che lโidrogeno รจ il primo atomo della tavola periodica degli elementi, una tabella ideata nel 1969 dal geniale chimico russo Dmitrij Ivanoviฤ Mendeleev. Tabella che elenca ordinatamente tutti gli elementi conosciuti in natura. Lโidrogeno, in alto a sinistra della tavola, ha numero atomico 1. Questo significa che รจ composto da un nucleo centrale fatto di una sola particella di carica positiva: il protone, (su cui siedo in questo momento), nello spazio circostante orbita, solitario, un elettrone, 1000 volte piรน piccolo e di carica elettrica negativa ed attratto verso ilย nucleo (per la legge di Coulomb le cariche opposte si attraggono). Eโ grazie alla sua enorme velocitร e dalla sua energia quantica che rimane in equilibrio sulla sua orbita evitando di schiantarsi a โterraโ.
I puristi della fisica quantistica, non inorridiscano per questa esposizione molto semplificata il cuiย solo scopo รจ quello di rendere lโidea dei meccanismi in gioco. A queste dimensioni le leggi della fisica classica perdono significato e questi fenomeni possono essere descritti solo facendo ricorso alla teoria dei quanti.
A queste profonditร una cosa risalta su tutto: il vuoto enorme tra nucleo ed elettrone pari a circa 10.000 volte il diametro dello stesso nucleo. Come dire una mela al centro ed i suoi semi a ruotare alla distanza di un chilometro. In mezzo? niente, il vuoto!
Il che significa che la materia, anche la piรน dura, la piรน compatta, fondamentalmente รจ composta di nulla.
Se non ci fossero di mezzo le forze (non solo quelle elettriche) due barre di acciaio durissimo, se sovrapposte, si fonderebbero tra loro. Potremo tranquillamente attraversare una parete di cemento compatto, con gli atomi di cui siamo composti a penetrare quelli del calcestruzzo.
Divagazioni a parte, ora mi trovo nella condizione di โuscireโ dallโidrogeno. Devo trovare il modo di attirare lโattenzione dellโelettrone, farlo scendere, salirvi in groppa e dirigermi ai confini dellโatomo sullโorbita esterna.
Provo ad ammiccare per attirare la sua attenzione. Niente, continua imperterrito il suo giro in giostra, ignorandomi.
Mi viene unโidea, comincio a saltare battendo i piedi per scuotere il protone sotto di me. Le vibrazioni dello stesso, carico elettricamente, si propagano all’elettrone.
Dapprima rimane impassibile, poi con uno scatto dโira, diminuisce la propria energia, rallenta, e si lascia risucchiare verso il centro di rotazione. Lo vedo scendere come una barca alla deriva verso di me, lo sento ansimare e la sua velocitร diminuisce,ย approfitto di questo momento per fare un balzo a cavallo della particella.
Appena a bordo lo sento riprendereย e risalire in alto, sulla sua orbita naturale, alla velocitร della luce. In un battibaleno siamo ai confini dellโatomo di idrogeno, mi infilo nel primo varco ed eccomi fuori. Sono di nuovo a cavalcioni della molecola d’acqua. Mi asciugo il sudore e mi appresto a scendere.
Sono emozionatissimo, conscio che a quelle profonditร nessuno poteva vederci, i piรน potenti microscopi elettronici sono in grado di โosservareโ fino alla profonditร di 10-9 – 10-10 metri e distinguere atomi e molecole.
I normali microscopi ottici, invece, si fermano molto prima a livello cellulare 10-6 metri (almeno tre piani sopra, a grandezze mille volte maggiori).
Con un balzo scendo nellโaffollato piano atomico-molecolare per conoscere alcuni frequentatori di questo livello.
Delle molecole dโacqua, abbiamo giร fatto la conoscenza, mi guardo in giro, nella confusione mi pare di riconoscere una fisionomia nota. Mi avvicino e vedo due atomi stretti in un abbraccio come due innamorati inseparabili. Li riconosco: sulla sinistra il sodio (Na), sulla destra il cloro (Cl). Il sodio allโundicesimo posto della tavola periodica degli elementi รจ composto di un nucleo di 11 protoni 12 neutroni ed 11 elettroni. I neutroni sono particelle del tutto simili ai protoni ma privi di carica elettrica e contribuiscono a tenere unito il nucleo. Come vi ho giร detto, i protoni hanno una carica positiva, odiano i loro simili, tanto che a contatto diretto si respingono brutalmente (bruttissimo carattere).
Questi ultimi evitano che i protoni vengano a contatto tra loro e contribuiscono alla stabilitร dello stesso nucleo.
I neutroni sono, invece dei โpaciocconiโ, si insinuano tra due protoni ed evitano qualsiasi contatto pericoloso tra i due, contribuendo alla stabilitร del nucleo. Intorno, a distanze siderali, ruotano 11 elettroni, a formare lโatomo di sodio, che in realtร , non esiste libero in natura: un elettrone, degli undici teorici, si perde continuamente e rimane lo ione di sodio: Na+. Gli ioni, quindi, sono atomi in deficit di un elettrone (cationi) di carica positiva (quella del protone nucleare che manca dellโelettrone antagonista). Gli anioni sono sempre ioni ma con un elettrone in eccesso e di carica negativa. Sentendosi insoddisfatti (instabili), gli ioni sono sempre alla ricerca di un partner con cui โlegareโ e scambiarsi elettroni.
Lo ione del cloro con un elettrone di troppo รจ un anione, elettricamente negativo: Cl–.
Questโultimo si intende a meraviglia con Na+.
In definitiva, si capisce, a prima vista, che Na+ e Cl–ย sono fatti lโuno per lโaltra. Il loro matrimonio รจ il tipico legame ionico che forma una molecola, vera star, della tavola degli elementi: NaCl, il sale da cucina, molecola che troviamo in abbondanza in natura.
I LEGAMI COVALENTI
Lโacqua (H2O) invece รจ lโesempio di un tipico legame covalente. Lโidrogeno lo abbiamo esplorato: 1 protone ed un elettrone. Cโรจ solo una precisazione da fare: quello che abbiamo conosciuto รจ solo uno dei tre isotopi dell’idrogeno: il prozio (1H).
Gli altri due sono:
il deuterio (2H) composta da: un protone ed un neutrone nel nucleo ed un elettrone in orbita.
il trizio (3H): 1 protone, 2 neutroni nel nucleo ed il solito elettrone.
Scusate, mi sono scordato di dirvi cosโรจ un isotopo: un isotopo, in breve, รจ un atomo piรน o meno grasso: i protoni e gli elettroni sono sempre gli stessi, ciรฒ che muta รจ il nucleo a contenere piรน o meno neutroni. Questo cambia il peso atomico, ma non influenza l’equilibrio elettrico.
Veniamo allโossigeno: Lโossigeno ha 8 protoni nel nucleo e 8 elettroni sulle orbite. E neutroni? Anche in questo caso ci sono degli isotopi di cui non parliamo e consideriamo solo il piรน comune con 8 neutroni (stessoย ย dei protoni).
Lโossigeno sarebbe di per sรฉ un atomo โfeliceโ; protoni, neutroni ed elettroni sono in numero pari e la carica elettrica si bilancia perfettamente. Tutto filerebbe liscio se non fosse per i due elettroni (i coccolini di famiglia) in cerca di amici. Lโidrogeno รจ il partner perfetto, gli elettroni esterni dellโossigeno condivideranno le orbite con quelle di due atomi di idrogeno a stringere un legame chimico covalente. Da questo connubio perfetto prendono vita le molecole della vita (scusate il bisticcio): lโacqua!
Ora, sorseggiando un bicchiere della nostra ottima acqua di montagna, vi saluto in attesa di continuare questo viaggio meraviglioso.
Note:
L’articolo รจ stato pubblicato per la prima volta sulla rivista “nonesa e solandra” IL MELO nel maggio 2022.