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Perché la materia è stabile? MECCANICA DEI QUANTI Perché la materia è stabile? La risposta nel principio di Heisenberg Q DANTI di noi sanno per'ché gli atomi sono strut�ture stabili? Il nostro tavolo da cucina è composto da atomi e tutti speriamo che duri parecchi anni cos�come l'abbia�mo comprato perché nutriamo una cieca fiducia nell'immutabi�lità dei suoi atomi. Ma su quali basi sciontifichc poggia questa fede? All'inizio de '900 Thompson propose di interpretare l'atomo come una distribuzione uniforme di cari�ca positiva, nella quale si trova�vano cariche negativo concen�trate in piccole zone. Ma, in base ad un celebre esperimento compiuto da Geiger e Marsden, ben presto Rulherford cap�che l'atomo doveva piuttosto essere una struttura vuota, al cui cen�tro fosse concentrata la carica positiva (il nucleo) e alla cui periferia stessero le cariche ne�gativo. Rimaneva da capire in che modo le cariche negative stesse�ro alla periferia del nucleo. Una legge fondamentale dell'elettro�statica, la legge di Gauss, vieta�va la possibilità che gli elettroni occupassero posizioni fisse d'equilibrio stabile. Se anche fosse possibile disporre gli elet�troni in punti d'equilibrio, una piccola perturbazione esterna (per esempio l'urto con un altro atomo) è sufficiente per far spostare gli elettroni dalle loro posizioni e per farli collassare irrimediabilmente verso il nu�cleo. Altroché struttura vuota! Rulherford e Bohr, allora, suggerirono che l'equilibrio fos�se dinamico: immaginarono che le cariche, anziché stare fermo, orbitassero intomo, al nucleo: cos�la forza centrifuga avrebbe potuto bilanciare le forze tendenti al collasso. Fu l'elettrodinamica, questa volta, a vietare l'esistenza di un tale atomo. Infatti, una carica sog�getta ad accelerazione perde energia, emettendo luce; un elettrone orbitante possiede un'accelerazione centripeta, dunque perderebbe gradual�mente quell'energia che gli avrebbe consentito di percorre�re una traiettoria chiusa a di�stanza costante dal nucleo e percorrerebbe una spirale sem�pre più stretta fino a raggiunge�re il nucleo stesso. Anche que�sta volta s'era approdati a un atomo dalla vita molto breve. La spiegazione della stabilità degli atomi si deve alla meccani�ca quantistica e, in particolare, a uno dei suoi principi fonda�mentali: il principio di indeter�minazione di Heisenberg. Esso afferma che tanto maggiore sa�rà la precisione con cui stabilire�mo la posizione di una particel�la atomica tanto più imprecisa sarà la determinazione della sua velocità e viceversa. Oggi sappiamo che un elettro�ne non occupa una posizione perfettamente determinata, piuttosto ha probabilità diverse da zero di trovarsi in una regio�ne di spazio che va dal centro fino ad una certa distanza dal nucleo. L'elettrone non sta in nessuna di queste posizioni pos�sibili, è come se fosse diffuso e occupasse simultaneamente ogni punto dello spazio permes�so con una certa probabilità. La chiave della stabilità ato�mica sta nel fatto che la regione permessa di cui abbiamo parla�to non può essere troppo picco�la. Infatti, se l'elettrone potesse occupare solo punti assai vicini al nucleo, avremmo un minimo scarto nella determinazione del�la sua posizione, quindi l'impre�cisione sulla velocità sarebbe molto alta. Ma alta imprecisio-. ne sulla velocità significa che essa può assumere valori molto elevati. Se, però, l'elettrone avesse velocità molto alte po�trebbe sfuggire alla forza di richiamo del nucleo, disinte�grando la struttura atomica che, invece, appare stabile. Ec�co perché gli elettroni non preci�pitano sul nucleo a formare una struttura più compatta. Alla fine, l'atomo è tornato ad essere simile all'atomo di Thompson, solo che anziché la carica positiva è quella negati�va ad essere distribuita su una regione le cui dimensioni sono determinate dal principio di Heisenberg. Non è possibile comprimere di più gli atomi perché cos�facendo la velocità degli elettroni e quindi l'ener�gia degli atomi crescerebbe: l'incomprimibilità degli atomi è dunque un effetto quantistico e non classico. Lorenzo Galante