Nel mondo classico, specialmente in quello greco dell’epoca alessandrina, ci si era iniziati ad interrogare sulla natura della materia che circondava l’uomo. La filosofia ellenistica aveva risposto a quest’esigenza di avere risposte concrete con modelli naturalistici solo dopo aver maturato l’inconsistenza di spiegazioni di fenomeni naturali su base teocentrica.
Empedocle, ad esempio, era dell’opinione che tutta la materia non fosse altro che una serie derivante da varie combinazioni di quattro elementi fondamentali: acqua, terra, fuoco ed aria. A questa rudimentale teoria vennero aggiunte delle particolari proprietà in epoche successive. Aristotele attribuì ad ogni elemento elencato da Empedocle due attributi (caldo/freddo e secco/umido) mentre Platone, uno dei padri fondatori della geometria solida, associò ad ognuno di essi una particolare conformazione tridimensionale (tetraedri, ottaedri, dodecaedri, ecc…).
Democrito intuì che la materia non potesse essere divisa all’infinito in parti sempre più piccole, ma che ad un certo punto essa fosse discontinua, costituita infatti da particelle fondamentali che egli definì atomi. La teoria atomistica venne ripresa da autori latini come Lucrezio che, nel suo capolavoro De Rerum Natura, spiega come il moto casuale (detto clinamen) di tali atomi possa generare la vita (mediante aggregazione di particelle) o condurre alla morte (mediante disgregazione delle stesse).
Tuttavia, in seguito all’affermarsi delle teorie aristoteliche soprattutto in epoca medievale (anche a causa di correnti culturali come la Scolastica di San Tommaso d’Aquino), la geniale intuizione di Democrito venne accantonata per molti secoli prima di essere rivalutata e considerata esatta. La prima vera e propria teoria atomica che segna il passaggio dalla chimica dell’epoca classica a quella moderna è di Dalton (1803) che racchiude in sé il pensiero di altri due importanti figure scientifiche dell’epoca: Lavoisier e Proust.
Le leggi ponderali e volumetriche della chimica
La teoria atomica di John Dalton riuniva i concetti fondamentali derivanti essenzialmente da ipotesi sperimentali del XVIII secolo. Il chimico Joseph Proust, studiando delle elementari reazioni di sintesi, dedusse che le quantità di reagenti che portano alla costituzione di un determinato prodotto si trovano in rapporti definiti e costanti. Questo concetto venne esteso da Dalton con la legge delle proporzioni multiple che definisce il rapporto tra differenti quantità di un reagente il quale, combinandosi con una definita massa di un altro, porta alla formazione di differenti prodotti.
Altri eminenti personaggi del panorama scientifico dell’epoca resero un grande contributo allo sviluppo della teoria di Dalton con due leggi definite volumetriche. Gay-Lussac dimostrò che, in condizioni STP (standard di temperatura e pressione), quando due reagenti gassosi si combinano tra loro per creare un’altra sostanza gassosa, i volumi dei gas di partenza stanno tra loro in un rapporto esprimibile mediante numeri interi e semplici. Amedeo Avogadro, invece, dimostrò che nelle stesse condizioni sperimentali descritte dal chimico francese, una mole di un qualsiasi gas occupa un volume di 22,4 litri.
Il caposaldo della teoria atomica, alla base anche dei calcoli chimici più semplici, è il principio di conservazione della massa enunciato dal chimico francese Antoine Lavoisier nel 1774.
Le reazioni più studiate all’epoca erano quelle analizzabili mediante combustione. Secondo teorie (come quella proposta da Stahl), tutto ciò che bruciava se esposto all’aria e a una fonte di calore era necessariamente ricco di un misterioso composto denominato flogisto.
L’errore sistematico nelle osservazioni sperimentali compiute dai sostenitori dell’esistenza di tale sostanza consisteva principalmente nel trascurare la totalità dei prodotti derivanti dalla combustione. Questo particolare tipo di reazione, oltre che a fornire una varietà finale di composti di natura differente, era basato su un processo oggi comunemente noto come ossidazione. All’epoca tuttavia questo concetto era sconosciuto e si riteneva che la sostanza analizzata ricca di flogisto, dopo aver reagito con il calore e l’aria, si trasformasse nei prodotti con una perdita parziale della massa iniziale. Al contrario, invece, Lavoisier dimostrò con apparati strumentali più precisi e sofisticati che le masse iniziali e finali del sistema in esame coincidevano per cui era possibile estendere questo principio di conservazione a tutta la materia e alle reazioni che la interessano.
Dalton includerà elegantemente nella sua teoria atomica i fondamentali risultati dedotti da Lavoisier affermando che nel corso di una reazione gli atomi non perdono mai la loro identità chimica ma modificano semplicemente i loro legami (e di conseguenza le specie chimiche a cui sono legati) portando alla costituzione di sostanze differenti da quelle di partenza.
La rivoluzione della teoria atomica nel XIX-XX secolo
Il principio di conservazione della massa esposto da Lavoisier nel XVIII secolo era applicabile a tutte le reazioni chimiche ordinarie cioè quelle che erano fondate sulla costituzione di legami per interazione delle nubi elettroniche atomiche. In particolare, questa legge, famosamente ricordata come “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”, ha gettato le basi per la branca della stechiometria. Questo ramo della chimica si occupa del bilanciamento delle masse (e nelle reazioni di ossidoriduzione anche delle cariche elettriche secondo il principio dell’elettroneutralità) mediante l’inserimento nell’equazione di opportuni coefficienti numerici posti dinanzi alle formule brute dei composti partecipanti alla reazione considerata.
Nel XIX secolo, in seguito agli esperimenti di Thomson, Rutherford, Millikan e Chadwick, si giunse a definire l’atomo come una struttura tridimensionale particolare composta da particelle elementari dette elettroni, neutroni e protoni. Questi ultimi due, siccome sono presenti esclusivamente nel nucleo atomico, sono detti anche nucleoni. All’alba del ventesimo secolo, il celeberrimo fisico tedesco Albert Einstein pubblicò differenti articoli scientifici tra cui quello sulla teoria della relatività ristretta in cui, oltre che a fondare un nuovo campo della fisica moderna, espose l’intima relazione che esisteva tra massa ed energia di un corpo.
La massa, giudicata fino a quel momento un parametro intrinseco della materia immutabile nel corso delle analisi cinematiche e dinamiche, diveniva adesso un valore suscettibile di variazioni. In particolar modo, dalla famosa formula E=mc2, si dedusse che la massa non è altro che una peculiare forma di energia. Einstein sintetizzò in un’unica legge universale ciò che Lavoisier aveva parzialmente intuito: non soltanto la massa si conserva durante una reazione chimica, ma anche l’energia totale del sistema (in accordo con il primo principio della termodinamica).
Per cui, con la relatività ristretta non si parla più di questi due aspetti in modo separato, ma è possibile che non ci sia una conservazione della massa a patto che si generi un’energia, dallo stesso processo, tale che possa compensare esattamente questa mancanza.
Lavoisier non aveva previsto l’esistenza di reazioni che potessero interessare il nucleo atomico anche perché di tale struttura centrale in cui erano compattati protoni e neutroni non si aveva proprio conoscenza. Di conseguenza, il suo principio è applicabile esclusivamente alle reazioni che comportano la formazione di legami mediante cessione, acquisto o condivisione di elettroni appartenenti all’orbitale di valenza ma non può essere esteso anche ai processi nucleari in cui si deve tener conto dell’energia totale del sistema considerato.
Gli esperimenti di Noddack e Meitner: le basi della chimica nucleare
Le prime evidenze sperimentali delle teorie di Einstein provennero da Ida Noddack, chimica e fisica tedesca. Ella fu la prima a teorizzare un processo di fissione nucleare supponendo che si potessero spezzare degli atomi di uranio mediante bombardamento con neutroni. Quest’ipotesi trovò conferma nelle esperienze sperimentali di Otto Hahn (1938) spiegate concettualmente dagli articoli di Lise Meitner.
A lei soprattutto si deve la correlazione dei dati sperimentali con la formula di Einstein siccome fu proprio la fisica austriaca a sottolineare che il quantitativo di energia emesso durante questi processi di fissione nucleare coincideva perfettamente con quello predetto dalla teoria della relatività del 1905.
Il processo di fissione nucleare avviene artificialmente quando il nucleo di un elemento solitamente pesante viene fatto colpire da un neutrone. In seguito all’impatto si produce un assorbimento di questo nucleone da parte del nucleo stesso e ciò causa un eccesso di energia che determina un moto oscillatorio (come una goccia di liquido che ha assorbito energia meccanica). Di conseguenza si ha un allungamento del nucleo finchè questo non si rompe scindendosi in più atomi che hanno un numero atomico Z e una massa complessiva minore di quella di partenza. Tale processo, in accordo con quanto affermato a proposito del sistema di conservazione massa-energia proposto da Einstein, si verifica con emissione di una grande quantità di energia e radioattività.
Su tali basi scientifiche si fonda lo studio dell’energia nucleare, tristemente nota per gli scopi bellici per cui è stata utilizzata nel corso della Seconda Guerra Mondiale. Il progetto Manhattan, che vide tra i suoi principali protagonisti anche il famoso fisico italiano Enrico Fermi, portò sotto il coordinamento di Robert Oppenheimer alla produzione di tre ordigni nucleari i cui test balistici vennero effettuati nel deserto del New Mexico (1945).
Nello stesso anno, il 6 agosto 1945, la prima bomba all’uranio veniva sganciata su Hiroshima e tre giorni dopo, su Nagasaki, venne lanciato l’ordigno al plutonio. Gli effetti catastrofici delle due esplosioni resero evidente l’illegittimità della decisione che portò gli americani a sganciare le bombe atomiche nella fase finale del conflitto mondiale.
Nonostante il governo statunitense abbia sempre dichiarato la necessità di utilizzare tali armi per concludere in fretta la guerra, ancora oggi molti considerano il bombardamento atomico un vero e proprio crimine di guerra che avrebbe dovuto essere condannato severamente in quanto violante esplicitamente le condizioni di vari trattati internazionali.
Il seguente video, tratto dal canale YouTube della Treccani, spiega molto semplicemente e in maniera essenzialmente grafica il processo di fissione nucleare, alla base della costruzione delle bombe atomiche.
