LA RIVOLUZIONE SCIENTIFICA DEL XX SECOLO: Elettroni ed atomi

LA RIVOLUZIONE SCIENTIFICA DEL XX SECOLO

Cenni generali

Il dato probabilmente più significativo che caratterizza il progresso della scienza – al di là delle conquiste specifiche ottenute in ciascuna delle diverse discipline – nei decenni iniziali del secolo scorso, è quello della sua estensione: si moltiplica infatti rapidamente il numero degli scienziati, dei ricercatori non solo nei paesi dove l’attività scientifica ha una tradizione consolidata, ma anche in quelle nazioni che irrompono sulla scena mondiale – Stati Uniti, innanzi tutto, Unione Sovietica, India, Giappone, Cina – con un cospicuo patrimonio di idee e di intelligenze. Questo allargamento dell’area delle ricerche testimonia, tra l’altro, del crescente interesse e sostegno economico dei governi e dell’industria privata. Il rapporto tra scoperta scientifica e sua applicazione pratica si fa sempre più stretto (e nella prima guerra mondiale tale rapporto si farà addirittura immediato).
In questa pagina esamineremo, per linee generali, l’evoluzione delle scienze nel periodo tra il 1900 e il 1930-1939, riservandoci più avanti il compito di illustrare l’epoca scientifica a noi più vicina. Naturalmente la complessità della materia non ci consente una esauriente trattazione di ogni singolo evento scientifico di questi anni. Opereremo quindi una scelta, privilegiando quella disciplina in cui maggiori, a nostro avviso, appaiono le conquiste, alcune davvero di fondo e rivoluzionarie: la fisica. Per il resto, ci limiteremo a un brevissimo accenno, senza per questo presumere di stabilire un’arbitraria scala di valori. Va detto, anzi, che man mano che la scienza progredisce, assistiamo a una sempre maggiore interazione tra i vari campi, tanto che i successi dell’una disciplina intervengono a stimolare e favorire lo sviluppo dell’altra.

La fisica: elettroni ed atomi

Tutta la fisica dell’Ottocento può essere assimilata a un gigantesco e armonico edificio alle cui fondamenta stanno il metodo sperimentale di Galilei e la meccanica di Newton. Ma a partire dal 1900 (o per essere più precisi, dal 1895) qualcosa, improvvisamente, interviene a incrinare queste fondamenta. Improvvisamente, diciamo, perché subitanea e quasi casuale fu una scoperta che doveva rimettere molte cose in discussione: quella dei raggi x, avvenuta appunto tra il 1895 e il 1896. Dopo di che, con un processo a catena, grandi scoperte e imponenti sintesi teoriche vennero a conferire alla fisica una dimensione affatto nuova.
Questo processo può essere diviso, per quanto riguarda il periodo che ci apprestiamo a esaminare, in due fasi: una che va dal 1895 al 1919, una seconda che va dal 1919 al 1939, anno in cui scoppia il secondo conflitto mondiale.

La prima di queste due fasi fu contrassegnata da una straordinaria ricchezza di ricerche e di esperienze, compiute da geniali “dilettanti” (nel senso che individuale e non preordinata è la loro attività, svolta talora con gravi sacrifici personali, nei laboratori messi a disposizione dalle università). Ma saranno proprio queste realizzazioni individuali a smuovere l’interesse di una industria che, ricordiamolo, stava conoscendo una forte espansione e si muoveva verso una struttura di tipo monopolistico di grande importanza produttiva e finanziaria.

L’avvisaglia di ciò che sarebbe stata la futura evoluzione della fisica venne da una serie di studi, tendenti a fornire una ragione di certi fenomeni elettrici posti in evidenza dalle applicazioni concrete che si andavano facendo – specie nel campo dell’industria delle lampadine – delle ipotesi di Faraday e di Maxwell, e particolarmente collegati al comportamento di una scarica elettrica nel vuoto.
Già nel 1876 l’inglese William Crookes (1832-1919) aveva notato come dal polo negativo di un tubo di scarica ad alto vuoto si liberasse una particella luminosa che egli interpretò come una forma di radiazione della materia. Era una intuizione sostanzialmente esatta che non aveva bisogno che di una conferma: a questa ricerca si dedicarono diversi studiosi. Scrive John Bernal nella sua opera “Storia della scienza“:

“Nel novembre del 1895 il corso delle ricerche subì una brusca svolta per effetto di una scoperta incidentale e imprevista. Konrad Röntgen (1845-1923) a quel tempo oscuro insegnante di fisica a Würzburg (Germania) aveva acquistato uno dei nuovi tubi a raggi catodici per spiegare agli studenti cosa succedeva dentro. Ma nel volgere di qualche giorno notò con immenso stupore un fenomeno che si verificava all’esterno del tubo; dal tubo emanava qualcosa che trascendeva tutte le proprietà finora note della natura; qualcosa che aveva la proprietà di far risplendere al buio uno schermo fluorescente e di impressionare una lastra fotografica, passando attraverso una lastra nera. Era possibile persino fotografare il danaro contenuto in un borsellino e le ossa della mano. Röntgen non sapeva cosa fosse questo qualcosa dotato di tanta forza di penetrazione e lo chiamò raggi x. Fu una scoperta scientifica di grido: in pochi giorni la notizia fece il giro del mondo sui titoli di prima pagina dei giornali… dopo qualche settimana tutti i fisici del mondo ripetevano l’esperimento di Röntgen nel chiuso dei propri laboratori o davanti a un pubblico ammirato…”.

Wilhelm Conrad Röentgen – Premio Nobel per la fisica 1901

La scoperta dei raggi x ebbe un effetto immediato sulla scienza medica (essi permettevano ormai di fotografare ciò che esisteva all’interno del corpo umano) e una importanza fondamentale per lo sviluppo della fisica e della conoscenza della natura. Sir Joseph Thomson (1856-1940) mise a punto, su questa base, la teoria degli elettroni quali “responsabili” dei raggi x. L’elettricità appariva dunque costituita da particelle materiali, aveva essa stessa una struttura atomica. Nel 1897, anno di queste esperienze, Thomson compiva così un passo decisivo verso la comprensione della natura dell’atomo. Questo, lungi dall‘essere indivisibile (atomo, dal greco, significa appunto: “che non si può dividere”) dimostrava invece una predisposizione a scindersi abbastanza facilmente.

A qualche mese dalla individuazione dei raggi x, il francese Antoine Henri Becquerel (1852-1909) appoggiando casualmente un sacchetto contenente sali di uranio su una lastra fotografica, scoprì che questa era rimasta stranamente impressionata. Ulteriori esperimenti confermarono che i sali d’uranio avevano la proprietà di emettere radiazioni che al pari dei raggi x erano capaci di penetrare la materia.

Pierre e Marie Curie

La radioattività era ormai definitivamente accertata, anche come manifestazione di fenomeni che avvenivano spontaneamente all’interno degli atomi di particolari elementi.
Pierre Curie (1859-1906) e sua moglie Marie (1867-1934) isolarono minerali assai più potentemente radioattivi dei sali d’uranio, come il polonio e il radio, quest’ultimo addirittura mortale per chiunque lo avvicinasse.

La strada era aperta per nuove scoperte e queste vennero, logiche, affascinanti. Sir Ernest Rutherford (1871-1937) lavorando per circa otto anni – dal 1899 al 1907 — riuscì a seguire il processo dei cambiamenti che si verificavano. nell’uranio, nel torio e nell’attinio, tutti elementi radioattivi, e scopri che gli atomi di ciascuno di essi pur essendo chimicamente eguali si disintegravano (emettendo radiazioni) in modi fisicamente diversi. Egli giunse così a distinguere una particolare “famiglia” di atomi che
chiamò isotopi.

La scoperta della radioattività e la definizione della teoria degli elettroni avevano determinato, approfondendo la conoscenza della natura, l’insorgere di nuovi problemi e difficoltà teoriche. Nel 1900 Max Planck (1858-1947) avanzò l’ipotesi che gli atomi non liberassero la loro energia in modo continuo, ma che emettessero, per così dire, energia in modo discontinuo; in altre parole che l’energia, come la materia stessa, fosse atomica e che la sua ‘atomicità’ consistesse in una misteriosa ‘quantità’ di azione (quantum), da cui dipendevano gli scambi di energia dei sistemi atomici.

Partendo da questa ipotesi, Albert Einstein (1879-1955) elaborò una teoria che capovolgeva la concezione “ondulatoria“ della luce per ritornare a quella, già ipotizzata da Newton, secondo cui la luce è composta di particelle materiali. Particelle che Einstein individuò nei fotoni, granelli luminosi, atomi di luce.

Ernest Rutherford

L’indagine attorno alla enigmatica struttura dell’atomo stringeva tuttavia i suoi tempi e principale “investigatore” era ancora una volta Ernest Rutherford. Nel 1910, due suoi assistenti rilevarono che particelle anche assai veloci e potenti (come le particelle “alfa”) non riuscivano a trapassare un atomo, non solo, ma ne rimbalzavano violentemente come se avessero incontrato nella loro corsa qualcosa di molto duro e resistente oltre che di molto piccolo. Rutherford intuì allora che al centro di ogni atomo dovesse esservi un nucleo. Poiché già si conosceva l’esistenza degli elettroni, il problema era quello di stabilire quale rapporto vi fosse tra questi e il nucleo e pervenire così a una rappresentazione soddisfacente dell’intera struttura dell’atomo stesso.

Insieme a Rutherford lavorava un brillante e giovane fisico danese, Niels Bohr (1885-1962) al quale spettò di tirare le fila del lavoro e sintetizzare le varie ipotesi. La teoria dei “quanti” di Planck forni a Bohr la base concettuale necessaria: egli dimostrò, in sostanza, che l‘atomo poteva essere assimilato al sistema solare, con il nucleo al posto del sole e con gli elettroni ruotanti attorno ad esso come altrettanti pianeti, ciascuno secondo un propria orbita. Ogni orbita rappresenta, nell’atomo, un certo livello di energia: tutte le volte che un elettrone “cambia” orbita (cioè che fa “un salto di corsia”) si hanno quei fenomeni che hanno nome radiazione o luce. L’atomo acquistava, così, grazie a Rutherford e Bohr, una precisa fisionomia: era davvero la scoperta del secolo.