Dentro l’atomo: tra spazio vuoto e realtà quantistica

Considerato che il diametro complessivo dell'atomo è centomila volte più grande del nucleo dell'atomo. Significa che l'atomo è costituito in maggioranza da vuoto. È vero?

Sì, l’idea generale è corretta, ma va precisata bene.

Un atomo è composto da un nucleo centrale (protoni e neutroni) e da elettroni che occupano una “nuvola” quantistica molto estesa attorno ad esso. Il nucleo è estremamente piccolo rispetto all’atomo: se l’atomo avesse le dimensioni di uno stadio, il nucleo sarebbe come una pallina al centro.

Il rapporto di cui parli (circa 100.000 volte tra dimensione dell’atomo e del nucleo) è dell’ordine giusto come stima di grandezza.

Quindi è “vuoto”?

In un certo senso sì, ma solo se usi “vuoto” in senso geometrico.

La massa è quasi tutta nel nucleo (oltre il 99,9%)

Il volume, invece, è quasi tutto spazio senza materia “densa”

Però quel “vuoto” non è come uno spazio vuoto classico:

gli elettroni non sono palline che orbitano nel vuoto

sono descritti da funzioni d’onda (probabilità di presenza)

occupano tutto lo spazio attorno al nucleo come una “nuvola”

Un modo più corretto di dirlo

L’atomo è quasi completamente spazio a bassa densità di materia, ma riempito da campi quantistici e probabilità elettroniche.

Un dettaglio importante

Se “schiacciassi” tutta la materia degli atomi eliminando questo spazio, la materia diventerebbe estremamente densa (tipo materia nucleare), come nelle stelle di neutroni.

Quindi gli oggetti che sono formati da atomi come fanno a non unirsi, visto che ogni atomo è composto da spazio vuoto?

Ottima domanda, perché qui c’è un equivoco molto comune: il fatto che gli atomi siano “quasi vuoti” non significa che la materia possa attraversarsi o che tutto dovrebbe collassare insieme.

La chiave è che gli atomi non si comportano come piccoli oggetti solidi con bordi rigidi, ma come sistemi dominati dalla fisica quantistica ed elettromagnetica.

1. Gli elettroni si respingono

Quando due oggetti si avvicinano, quello che interagisce davvero sono le nuvole di elettroni.

Gli elettroni hanno carica negativa

Due nubi elettroniche che si avvicinano si respingono elettrostaticamente

Questa è già una barriera molto forte.

2. Il principio di esclusione di Pauli (il motivo più profondo)

C’è un principio ancora più importante:

Principio di esclusione di Pauli: due elettroni non possono occupare lo stesso stato quantico.

In pratica:

gli elettroni non possono “schiacciarsi” negli stessi stati energetici

quando provi a comprimere due atomi insieme, gli elettroni sono costretti a cambiare stato

questo richiede energia → si manifesta come una fortissima resistenza alla compressione

Questo è il motivo fondamentale per cui:

non attraversiamo i muri

gli oggetti hanno volume

la materia è stabile

3. Non è “vuoto libero”, ma campo elettronico

Dire che l’atomo è vuoto è un po’ fuorviante.

È più corretto dire:

il nucleo è piccolo

ma lo spazio è occupato da una distribuzione di probabilità elettronica

queste distribuzioni “si scontrano” tra atomi

4. Perché quindi non collassiamo tutto?

Se fosse solo vuoto:

tutto dovrebbe passare attraverso tutto

Ma in realtà:

le interazioni elettromagnetiche

il principio di Pauli

la struttura quantistica degli elettroni

creano una sorta di “rigidità emergente” della materia.

In sintesi

Gli oggetti non si attraversano perché:

gli elettroni si respingono

e soprattutto perché la meccanica quantistica impedisce loro di occupare gli stessi stati

Quindi la “solidità” non viene dal fatto che gli atomi siano pieni, ma dal modo in cui i loro elettroni si comportano.

Il nucleo dell'atomo come gli elettroni è soggetto a stati quantistici? Dove si può trovare in un punto invece che un altro oppure addirittura che può esistere e non esistere contemporaneamente?

Sì, anche il nucleo è un sistema quantistico e quindi non possiede una posizione perfettamente definita come una pallina classica. Tuttavia bisogna distinguere tra diverse idee quantistiche.

1. Il nucleo ha una funzione d'onda

Come gli elettroni, anche il nucleo è descritto da una funzione d'onda.

Questo significa che, prima di una misura, non ha una posizione esattamente definita ma una distribuzione di probabilità.

In linea di principio si può dire:

c'è una certa probabilità di trovarlo qui;

una certa probabilità di trovarlo un po' più in là.

Però la sua incertezza di posizione è molto più piccola di quella degli elettroni perché il nucleo è enormemente più massiccio.

2. Può essere in sovrapposizione?

Sì.

La meccanica quantistica permette che il nucleo si trovi in una sovrapposizione di stati:

due posizioni diverse;

due energie diverse;

due orientamenti di spin diversi.

Questo è stato osservato sperimentalmente in molti sistemi atomici e molecolari.

In formule, uno stato potrebbe essere rappresentato come:

|\psi\rangle = a|A\rangle + b|B\rangle

dove il nucleo non è né solo in A né solo in B prima della misura.

3. "Esistere e non esistere contemporaneamente"?

Qui la risposta è no.

È una formulazione che spesso si sente, ma non descrive bene la meccanica quantistica.

Un nucleo non è contemporaneamente esistente e inesistente.

Può invece essere in una sovrapposizione di stati fisici diversi.

Ad esempio:

qui e là;

con spin su e spin giù;

decaduto e non decaduto (nel caso di un nucleo radioattivo).

Quest'ultimo caso è ciò che ha ispirato il famoso esperimento mentale del gatto di Erwin Schrödinger.

4. Perché normalmente vediamo il nucleo in una posizione precisa?

Perché il nucleo non è isolato.

Interagisce continuamente con:

gli elettroni;

la luce;

gli atomi vicini;

il campo elettromagnetico circostante.

Queste interazioni producono la cosiddetta decoerenza, che distrugge rapidamente le sovrapposizioni macroscopiche.

Per questo un atomo reale appare localizzato.

5. Una cosa ancora più sorprendente

In certi casi non solo il nucleo, ma l'intero atomo può comportarsi come un'onda.

Esperimenti di interferenza sono stati eseguiti con:

atomi singoli;

molecole molto grandi;

perfino molecole contenenti centinaia di atomi.

Questo suggerisce che la natura quantistica non appartiene solo agli elettroni: riguarda tutta la materia. Gli oggetti grandi sembrano classici soltanto perché la decoerenza diventa estremamente rapida.

In un certo senso, quindi, il nucleo non è una piccola biglia solida al centro dell'atomo. È anch'esso un oggetto quantistico, ma molto più localizzato degli elettroni e molto meno "sfuggente" nelle sue manifestazioni quantistiche.

Spiegami cosa succede davvero quando due superfici “si toccano” a livello atomico.

Quando diciamo che due oggetti "si toccano", a livello atomico succede qualcosa di molto diverso da ciò che immaginiamo nella vita quotidiana.

Immagina due superfici lisce

Anche le superfici più lisce sono in realtà piene di irregolarità microscopiche. Quando avvicini due oggetti, inizialmente si avvicinano solo le punte di queste asperità.

Le nuvole elettroniche iniziano a sovrapporsi

Gli atomi sulla superficie di un oggetto sono circondati dalle loro nuvole elettroniche. Quando due superfici si avvicinano molto:

1. Le nuvole elettroniche cominciano a sovrapporsi.

2. Gli elettroni di una superficie "sentono" quelli dell'altra.

3. Entrano in gioco fortissime forze elettromagnetiche repulsive.

Il principio di Pauli entra in azione

C'è poi un effetto quantistico fondamentale: il principio di esclusione di Pauli.

Gli elettroni appartengono a una categoria di particelle chiamate fermioni. Quando gli elettroni di due atomi vengono forzati troppo vicini, non possono semplicemente occupare gli stessi stati quantistici. Per farli stare più vicini occorrerebbe fornire una quantità crescente di energia.

Questa resistenza si manifesta macroscopicamente come:

la durezza di un materiale,

la sensazione di premere contro un tavolo,

il fatto che non attraversi il pavimento.

Quindi gli atomi si toccano davvero?

Dipende da cosa intendi per "toccare".

Se per toccare intendi:

> "I nuclei degli atomi arrivano a contatto"

allora praticamente no. I nuclei rimangono separati da distanze enormemente maggiori delle loro dimensioni.

Se invece intendi:

> "Le loro regioni di influenza quantistica ed elettromagnetica interagiscono fortemente"

allora sì, ed è questo che chiamiamo contatto.

Quando appoggi una mano sul tavolo

Dal tuo punto di vista la mano è ferma sul tavolo.

Dal punto di vista atomico:

i nuclei della tua mano e quelli del tavolo non si toccano;

le nuvole elettroniche si respingono;

le forze elettromagnetiche e quantistiche si equilibrano.

La sensazione di "contatto" che percepisci è in realtà la risposta dei nervi a queste forze.

Un'analogia utile

Immagina due calamite con lo stesso polo rivolto una verso l'altra. Puoi avvicinarle molto, ma senti una resistenza crescente prima che si tocchino.

Gli atomi si comportano in modo simile, anche se il meccanismo reale è molto più complesso e coinvolge elettromagnetismo e meccanica quantistica.

Per questo motivo, si può dire una cosa sorprendente: nella vita quotidiana quasi nessun oggetto "tocca" veramente un altro nel senso classico del termine. Ciò che chiamiamo contatto è soprattutto l'interazione tra campi e stati quantistici degli atomi.