Enrico Fermi è stato probabilmente il più grande scienziato italiano del Novecento. Al suo nome è legata una delle maggiori innovazioni introdotte dalla chimica nucleare: la reazione di fissione nucleare. Fu lui a enunciare il decadimento b, supponendo tra l’altro l’esistenza del neutrino. Poi ebbe un intuizione geniale: capì che se si fosse bombardato con un neutrone (con velocità relativamente lenta) un atomo di uranio o di plutonio, ciò avrebbe comportato una disgregazione del nucleo (fissione, dal latino fingere, spaccare), liberando neutroni ed molta energia.Tale fenomeno, se incontrollato, genera un’esplosione nucleare. Fermi invece ideò un metodo per controllarlo, costruendo la pila atomica, antenata dei reattori nucleari. . Il rendimento di tali reattori è altissimo, ma ha inconvenienti come la pericolosità delle scorie e il rischio di esplosioni. Fermi per questa sua realizzazione ottenne il Nobel nel 1938.
WHERNER HEISEMBERG
Werner Heisenberg è noto per il suo principio di indeterminazione. Esso sostiene che esistono coppie di grandezze che non possono essere misurate contemporaneamente con precisione assoluta, ma anzi l’approssimazione di una è inversamente proporzionale all’altra. Un esempio di tali coppie è posizione – quantità di moto, un’altra è energia – tempo. Questa dimostrazione, che mette in dubbio le basi stesse della fisica newtoniana, che invece era basata sull’assoluto determinismo delle sue leggi, è considerata l’atto di nascita della fisica quantistica, fondata invece sull’incertezza.
Heisenberg partì dall’esperimento della diffrazione a singola fenditura di un fascio di elettroni diostrando che il prodotto delle incertezze sulla posizione e sulla quantità di moto è all’incirca uguale alla costante di Planck.Il fisico tedesco dimostrò che tale relazione è un principio generale del tutto indipendente dal sistema a singola fenditura utilizzato per la dimostrazione. È inoltre interessante notare il fatto che se noi volessimo determinare con precisione assoluta uno dei due fattori, l’altro dovrebbe tendere ad infinito, cioè l’errore sarebbe immenso.
È chiaro a questo punto che il modello di Bohr debba essere completamente rivisto: parlare di orbite significa sostenere di conoscere sempre con precisione ogni parametro dell’elettrone.Si deve perciò cominciare a parlare di orbitali.
BOHR E IL SUO MODELLO ATOMICO
Il modello di Rutherford fu corretto solamente due anni dopo, nel 1913 dal giovane danese Niels Bohr. Nel 1922 vinse il Nobel per la fisica, proprio per il suo modello atomico. Si rifugiò negli USA durante la seconda guerra mondiale, partecipando alle sperimentazioni sulla bomba atomica a Los Alamos.
Bohr enunciò 3 postulati . Grazie a una ingegnosa dimostrazione riuscì a dimostrare la veridicità dei suoi studi.
LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITÀ
Nel 1896 il 44enne fisico parigino Henri Becquerel stava compiendo studi sui raggi X appena scoperti.Come sempre pose i sali di uranio in un cassetto che conteneva occasionalmente anche delle pellicole fotografiche appena acquistate che sarebbero dovute servire per un esperimento l’indomani mattina. Quando il giorno dopo si apprestava ad utilizzare la pellicola, si accorse che su di essa si trovavano delle macchie nere, come se qualcuno l’avesse usata. Egli comprese che l’unica spiegazione fosse che l’uranio avesse emesso una qualche radiazione. Perciò cominciò a studiare quest’aspetto. I risultati più importanti li ottennero i coniugi Pierre e Marie Curie. Pierre Curie è stato uno dei più grandi scienziati della storia di Francia. Essi ipotizzarono che l’uranio e il torio, emettendo radiazioni, si trasformavano in nuovi elementi, che chiamarono polonio e radio. Nel 1903 vinsero assieme il Nobel per la Fisica. La scoperta della radioattività, fu decisiva per lo sviluppo della ricerca sui modelli atomici e per la scoperta della terza particella atomica,il neutrone.
THOMSON E LA SCOPERTA DELL’ELETTRONE
Joseph Thomson è un allievo di Maxwell, fu nominato professore di fisica presso l’Università di Cambridge. Nel 1897 con lo spettrometro di massa, che aveva contribuito a perfezionare, riesce a ricavare il rapporto carica/massa delle particelle componenti i raggi catodici. Sostituisce più volte il gas all’interno del tubo e anche il metallo del catodo, non sapendo ancora con certezza se fosse il gas o il metallo a liberare i raggi (oggi sappiamo essere il gas). In ogni caso riscontra lo stesso valore. Dunque queste particelle sono una componente fondamentale dell’atomo, in quanto si riscontra, con uguale rapporto e/m in tutti gli esperimenti. Si tratta della prima particella subatomica ad essere scoperta. Sarà chiamata elettrone. Thomson con questa scoperta è solo all’inizio di una brillante carriera.
Nel 1904 presentò il suo primo modello di struttura: parlò di una sfera uniforme di carica positiva con “affogati” qua e là elettroni in modo tale da rendere complessivamente neutra la struttura. Nel 1906 poi si corresse e presentò un nuovo modello, detto a struttura piena.Nel 1906 vinse il premio Nobel.
JOSIAH GIBBS: NASCE LA TERMOCHIMICA MODERNA
In questo periodo (1860 circa) abbiamo risultati di rilievo anche nell’ambito dello studio dei meccanismi che sono alla base delle reazioni chimiche. In particolare ci si chiedeva per quale motivo alcune reazioni avvengono a temperatura ambiente mentre altre sono possibili solo ad altissime temperature o addirittura impossibili. Il lavoro di Josiah Gibbs permette di spiegare ciò. Essi giunse alla onclusione nel 1880. Egli considerò l’entalpia [H] (cioè il contenuto termico di un sistema) e l’entropia [S] (il disordine di un sistema). Essi considerò il fatto che ogni sistema tende a raggiungere la situazione più stabile (dunque con H più bassa) e più probabile, dunque con S più alta. Ma allora come mai in alcuni casi abbiamo un aumento di H (esempio le reazioni endotermiche) o una diminuzione di S (esempio la formazione del ghiaccio)?
Gibbs comprese che l’energia totale di un sistema è divisibile in due parti: quella libera (che può produrre lavoro) e quella vincolata (che viene dispersa in calore latente). Una reazione avviene spontaneamente quando c’è una diminuzione di energia libera. Con il suo lavoro nasce la termochimica moderna.
MENDELEEV E IL SISTEMA PERIODICO
Da giovane si recò negli Stati Uniti, per studiare il petrolio, poi tornò in Russia, da cui non si allontanò più se non per alcuni convegni o congressi. Professore a Pietroburgo, nel 1869 pubblicò una classificazione periodica degli elementi. Il suo nome era Dmitrij Ivanovic Mendeleev. All’epoca diversi chimici avevano già tentato di ordinare gli atomi degli elementi conosciuti, avendo notato che godono di proprietà che tendono a ripetersi in alcuni di essi. Il primo che tentò di proporre un ordine fu il tedesco J. W. Döbereiner .Negli anni ’60, De Chancourtois propose una classificazione a spirale, nei raggi della quale si inserivano gli elementi che differivano per 10 unità di massa atomica. Più importante fu certamente il contributo dell’inglese Newlands che enunciò la legge delle ottave.
Mendeleev intuì che la chiave potesse essere la massa atomica e per questo sistemò gli elementi in una tabella ad otto colonne, riempiendo le righe secondo il criterio della Ar crescente. Le righe furono chiamate periodi, mentre le colonne gruppi. In ogni gruppo gli atomi differivano per peso, ma avevano le stesse proprietà chimiche. Per poter mantenere gli elementi con stesse proprietà nel medesimo gruppo, Mendeleev dovette però lasciare dei buchi, che se il suo sistema si fosse rivelato corretto, sarebbero dovuti essere occupati da elementi ancora non scoperti. Così quando furono isolati il gallio, lo scandio e il germanio si vide che andavano a collocarsi nel posto lasciato libero per gli atomi di quelle caratteristiche. La scoperta del cesio d fu la prova definitiva che sancì la validità del sistema periodico di Mendeleev.
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