ENRICO FERMI E LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE

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.

AMEDEO AVOGADRO: LA TEORIA ATOMICO-MOLECOLARE

 Amedeo Avogadro conte di Quaregna e Cerreto si dedicò agli studi di legge, compiendo una brillante carriera fino a divenire segretario di prefettura della capitale del Regno dei Savoia. Si appassionò alla scienza solo in seguito e compì studi di matematica, fisica e chimica da autodidatta. Già nel 1809 divenne professore di matematica e fisica presso il Liceo di Vercelli. Due anni dopo inizia a studiare i risultati di Gay-Lussac e giunge ad una conclusione straordinaria: volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole. L’introduzione del concetto di molecola consente ad Avogadro di spiegare allo stesso tempo le tre leggi ponderali e la legge di Gay-Lussac. Infatti la molecola viene definita come la depositaria delle proprietà specifiche delle sostanze. Ma la comunità scientifica si mostrò riluttante ad accogliere l’ipotesi. Morì nel 1856 senza ottenere la considerazione che avrebbe meritato. Solo in seguito i chimici, con un omaggio postumo, definirono numero di Avogadro

DALTON: LA PRIMA TEORIA ATOMICA

John Dalton fu figura poliedrica e fondamentale nello sviluppo della chimica moderna, riportando d’attualità la teoria atomica che era già stata formulata, nell’antichità romana da Lucrezio nel De Rerum Natura.

Il primo importante risultato fu l’enunciazione della terza legge ponderale, nota anche con il suo nome oppure come legge delle proporzioni multiple. Dalton lavorò con le anidridi del cloro.Poté dai suoi studi formulare la teoria atomica, che si configura come la sintesi delle tre leggi ponderali.

Dalton però sbagliò su un punto, e cioè sulla spiegazione della differenza tra composti ed elementi: infatti ignorava l’esistenza delle molecole e sostenne l’esistenza di atomi composti, di peso uguale alla somma degli atomi elementari che lo compongono.

Non è un errore da poco, infatti Dalton se lo portò dietro anche nella fase successiva della sua ricerca: si propose infatti l’ambizioso obiettivo di massare tutti gli atomi allora conosciuti. Poiché misurare una grandezza significa confrontarla con un'unità di misura data riuscì comunque a superare il problema, decidendo di utilizzare come termine di paragone la massa dell’atomo.

PROUST: LA LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE E COSTANTI

Nel 1799, a 10 anni dall’enunciato di Lavoisier, rimanevano però ancora vivi nell’immaginario collettivo alcuni principi alchimistici, come quello secondo cui una stessa sostanza avesse composizione differente a seconda della zona in cui era stata trovata. A superare questa idea così diffusa, pensò Joseph Louis Proust (1754-1826), chimico francese che tuttavia svolse gran parte dei suoi studi in Spagna. Qui poté studiare la pirite e il solfuro di ferroso, composti necessari nella fabbricazioni delle polveri da sparo. Proprio l’utilizzo dell’analisi chimica, di cui fu uno dei fondatori, gli permise di dimostrare che la composizione percentuale di Fe e di S era costante in qualsiasi campione si analizzasse, di qualsiasi provenienza,riuscì così a enunciare la sua legge.

LAVOISIER: NASCE LA CHIMICA MODERNA

Antoine Laurent de Lavoisier segna una svolta decisiva nella storia della chimica. A vent’anni i suoi interessi si sono nelle materie scientifiche: anatomia, chimica e botanica. A 25 anni iniziò un’indagine meteorologica assieme ad altri ricercatori, che portò ad un radicale cambiamento nelle tecniche agricole della Francia. Si dedicò al perfezionamento della bilancia, che diventò strumento insostituibile delle sue ricerche. La sua pubblicazione fondamentale è: "Traité Elémentaire de Chimie", dove espone le sue teorie antiflogistiche, ma soprattutto enuncia la prima legge ponderale, nota come legge di conservazione della massa.

ROBERT BOYLE, IL CHIMICO SCETTICO

Si può senza dubbio alcuno affermare che l’opera di Boyle (il chimico scettico) abbia precorso i tempi di almeno 150 anni, anticipando quella dei primi chimici moderni. Robert Boyle nacque a Lismore, in Irlanda, nel 1627, figlio del duca di Cork. La provenienza da una famiglia nobile gli consentì di coltivare la passione per gli studi e in particolare per l’alchimia. Ebbe la possibilità di viaggiare in Francia e in Italia, dove conobbe l’opera di Galileo. Grazie alla sua abilità sperimentale unita ad un’elevata capacità speculativa, riuscì a cogliere diversi successi: enunciò la legge isoterma PV=k, poi fissò per primo lo 0 come temperatura di fusione del ghiaccio, infine dimostrò sperimentalmente il paradosso idrostatico, già spiegato teoricamente da Stevino con l’omonima legge. Ma la sua opera principale è il libro “Il chimico scettico” in cui riassume le proprie scoperte, critica aspramente la teoria degli elementi, dimostra che l’aria è un miscuglio ed enuncia una prima teoria corpuscolare, che poi ritroveremo, perfezionata, nell’enunciato di Dalton. Infine definisce per la prima volta i termini composto e elemento in questi termini:
Negli ultimi anni della sua vita si dedicò soprattutto a ricerche pratiche, ma ebbe ancora successi, come la scoperta del fosforo o la sintesi dell’acido fosforico. Morì a Londra nel 1691, dopo aver fondato la Royal Society, che aveva come scopo lo scambio di informazioni e la cooperazione tra differenti scienziati. Anche qui in anticipo, Boyle aveva capito che la ricerca non può essere compiuta da uno scienziato isolato, ma deve essere il risultato dell’unione delle differenti esperienze di vari ricercatori

PERIODO ANTICO

La chimica nasce come tecnologia e non come scienza a partire dal IV millennio a.C. nell’area del Mediterraneo orientale (Egitto, Mesopotamia, Asia Minore). A quell’epoca gli scopi principali erano essenzialmente di carattere pratico (lavorazione dei metalli, produzione del vetro, estrazione di pigmenti naturali…), ma in Egitto la alchimia assunse rapidamente significato religioso. I greci per primi cominciarono a dare alla materia anche un connotato teorico, ma questo rimaneva basato sul metodo deduttivo aristotelico, che permise ben poche scoperte.