Fantasmi atomici e molecolari

Vengono visualizzati in un esperimento dedicato alla misura delle energie “rubate” da atomi e molecole

Fantasmi atomici e molecolari: non sembra di certo un bel titolo per iniziare una rubrica dedicata a “cose scientifiche”. Certo, si tratta pur sempre di una rivista che si interessa al paranormale ma… addirittura i fantasmi? Allora esistono?

Certo che sì. Si chiamano in realtà “spettri” e non ululano e trascinano catene in castelli diroccati. Sono il biglietto da visita dei costituenti fondamentali, da un punto di vista delle proprietà chimico-fisiche, del nostro universo: gli atomi e le molecole. Ma procediamo con ordine.

Prendete l’acqua, ad esempio, e suddividetela in pezzettini sempre più piccoli. La più minuscola unità di materia che ancora potete chiamare con il nome “acqua” si chiama molecola. Non è che non si possa ancora suddividerla in parti più piccole. È che dopo non è più fatta di “acqua”, ma di oggetti che si chiamano atomi. L’acqua, si sa, è fatta da atomi di idrogeno e ossigeno. In natura esistono 92 tipi di atomi differenti.

Con questi oggetti è possibile costruire tutto ciò che osserviamo attorno a noi. Con relativamente pochi tipi di atomi diversi siamo in grado di mettere assieme infinite varietà di molecole. Gli esseri viventi, ad esempio, sono una struttura incredibilmente complessa, in grado di riprodursi, nutrirsi, evolvere. Eppure sono basati su pochissimi tipi di atomi differenti: idrogeno, ossigeno, azoto, carbonio e qualche altro elemento.

Le conoscenze della scienza moderna hanno permesso di stabilire con enorme accuratezza i dettagli strutturali e i comportamenti più complessi di questi oggetti. Siamo in grado, oggi, di sapere praticamente tutto su come è fatta una data molecola e gli atomi che la compongono o addirittura di modificarne la forma, il modo che essa ha di reagire e così via.

Come è mai possibile sapere tutto ciò quando gli oggetti di cui si sta parlando sono di fatto invisibili, per colpa della loro incredibile piccolezza? Quali sono gli strumenti che la scienza moderna mette a disposizione per riuscire in questo intento?

Atomi e molecole vivono in un mondo tutto loro, fantastico ma lontanissimo dalla nostra concezione “sensoriale” di materia, di sostanza, di cose di ogni giorno.

È un mondo regolato da leggi fisiche di tipo “ondulatorio” o “quantistico”. Si tratta di una rappresentazione della realtà poco intuitiva ma sorretta da innumerevoli verifiche sperimentali in più di cent’anni di storia.

Gli atomi, ad esempio, vivono in “stati” caratterizzati da energie ben precise e non modificabili a piacimento. Cosa significa? Consideriamo ad esempio un oggetto appoggiato sul nostro tavolo. Esso ha una certa “energia” per il semplice motivo di essere collocato in un campo di forze, di origine gravitazionale, generato dal nostro pianeta Terra. Questa energia, che riusciamo a “liberare” lasciando cadere l’oggetto oltre il bordo del tavolo e trasformandola in energia di moto, di caduta, può esser variata a piacimento semplicemente sollevando (o abbassando) l’oggetto di quanto ci pare.

I singoli atomi non si comportano così. Non si può “alzare e abbassare” la loro energia arbitrariamente. Un atomo è fatto a sua volta da altri “pezzetti”, particelle ancora più fondamentali (elettroni e nucleoni) che interagiscono fra di esse ma che non possono essere trattate come l’oggetto sul tavolo. Vivono su un “tavolo” oppure su un altro, ma non esistono livelli intermedi che possiamo scegliere arbitrariamente. La natura decide che l’atomo e i suoi pezzi possono stare solo in certi “livelli” di energia. Si parla in questo caso di “quantizzazione” dell’energia.

Di chi è la colpa? In realtà questi pezzi di materia sono qualcosa di molto strampalato. Non dobbiamo più pensare a “palline” solide, a pianeti che ruotano attorno al sole (il cosiddetto modello atomico “planetario”). Le parti di un atomo si comportano come un miscuglio davvero imprevedibile di materia e di onde.

Onde? Già: come quelle del mare. È difficile rispondere alla domanda “dov’è un’onda?”. Infatti: un’onda “va da qualche parte” ma non “sta lì”. Eppoi se fate incontrare delle onde non fanno solo “incidenti” distruggendosi. Se siamo fortunati (o abili) siamo in grado di far interagire delle onde rinforzandole fra di loro.

Cosa c’entra questo con gli atomi e con le molecole? Molto. Questi oggetti e le loro parti si comportano come onde. Possono interferire fra di loro, possono essere “dappertutto” e non solo da qualche parte, come ci si aspetta invece da un granello di sabbia. Atomi e molecole rispondono a delle leggi di tipo ondulatorio.

Le conseguenze sono incredibili ma, per quello che in questo momento ci interessa, basti citare il sopra accennato fenomeno della “quantizzazione” dell’energia.

Esistono modi per rivelare sperimentalmente questi comportamenti su scala atomica? Certo. Si tratta di studiare (finalmente!) gli “spettri” degli atomi e delle molecole.

Per passare da un livello atomico a un altro è ne-cessario scambiare quantità ben precise di energia: gli atomi e le molecole lo fanno assorbendo o emettendo radiazione elettromagnetica (quella che chiamiamo “luce” se il nostro occhio è in grado di vederla).

Per passare da uno stato di energia a uno differente, dunque, è necessario “illuminare” i nostri atomi con onde elettromagnetiche di appropriate caratteristiche: una scoperta fondamentale dell’inizio del secolo scorso fu proprio quella che permise di collegare l’energia della radiazione elettromagnetica alla sua frequenza, ovvero alla rapidità di oscillazione dei campi elettrici e magnetici che la costituiscono.

Serve tanta energia? Alta frequenza. Minore energia? Frequenza più piccola.

Ecco dunque come è possibile “osservare” le energie interne di questi oggetti: facendoli scambiare energia con onde elettromagnetiche. Se viene “rubata” energia a una certa frequenza dalla luce che illumina il nostro campione di materiale, vuol dire che questa è stata utilizzata per “eccitare” l’oggetto a un livello energetico più alto. Nel caso degli atomi, ad esempio, questo avviene per causa di “spostamenti” degli elettroni in zone più sparpagliate attorno al nucleo. Le molecole, inoltre, possono essere “eccitate” a causa di differenti moti di vibrazione e di rotazione degli atomi che le compongono.

Bisogna anche dire che una molecola, ad esempio, di metano terrestre “ruba” energia da un’onda elettromagnetica (o gliela cede) esattamente nello stesso modo in cui lo fa una molecola di metano che si trova su Giove.

Si tratta infatti di una sorta di “impronta digitale” che è tipica di ciascuna molecola di metano dell’universo.

Allo stesso tempo, inoltre, sia sulla Terra che su Giove i “furti” (o le cessioni) di energia sono diversi per una molecola di benzene e una di metano. Ogni molecola ha la sua propria e unica sequenza di energie scambiate con le onde elettromagnetiche.

E gli spettri? Sono proprio quelli che vengono visualizzati in un esperimento dedicato alla misura delle energie “rubate” (o “restituite”) da atomi e molecole.

Le differenti frequenze della radiazione danno luogo a “bande” o linee di colore (frequenza di oscillazione) differenti che già Newton aveva osservato nel caso della luce solare dopo che essa aveva attraversato un prisma di vetro.

I colori emergenti erano stati, proprio da Newton, battezzati con il nome di “spectrum”.

La spettroscopia, cioè l’indagine sistematica dei “colori” emessi da atomi e molecole di vario genere, è la tecnica scientifica più importante e diffusa che permette agli studiosi di riuscire a capire molti dettagli sulla struttura della materia.

Fantasmi reali e utilissimi.

Categorie

Sullo stesso argomento

Prometeo