Storia del concetto di

atomo

C.M. Wynn, A. W. Wiggins, Le cinque più grandi idee della scienzaD. Lindley, Gli atomi di BoltzmannE. R. Scerri, The Periodic TableE. Schroedinger, L'immagine del mondoH. Reichenbach, Esistono gli atomi? (in La nascita della filosofia scientifica)

“its repose is only an illusion due to the imperfection of our senses, and what we call equilibrium is a certain well-defined permanent system of a perfectly irregular agitation.”

(J. Perrin, Nobel lecture)

Seurat, the Seine at le Grand Jatte (1888)

la trama (come in un film d'azione) :

.....partiamo dal momento di svolta (l'atomo conquista la scena) e del dramma umano (Boltzmann)

.... poi il tema: di cosa parliamo e perché

.... facciamo un flashback: come è cominciato tutto (la filosofia greca)

.... la storia si sviluppa su due rami (quello chimico e quello fisico)

Albert Einstein, 1905 Predizione della distanza media percorsa nel moto browniano,

utilizzando la distrib. di Maxwell-Boltzmann

il più citato degli articoli dell'annus mirabilis

congettura altamente rischiosa - Popper

Jean Perrin, 1908

Misura la distanza percorsa nel moto browniano

Corrobora la congettura einsteiniana

premio Nobel 1926

Ludwig Boltzmann, † Duino, 1906

Dalla termodinamica alla meccanica statistica

Spiegare il macro sulla base del micro (atomi)

Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden

Flüssigkeiten suspendierten Teilchen (Annalen der Physik, 17, 1905)

“In this paper it will be shown that according to the molecular-kinetic theory of heat, bodies of microscopically-visible size suspended in a liquid will perform movements of such magnitude that they can be easily observed in a microscope, on account of the molecular motions of heat”

“We must assume that the suspended particles perform an irregular movement - even if a very slow one - in the liquid, on account of the molecular movement of the liquid”

Annalen der Physik, 19, 1906:

“Soon after the appearance of my paper [Ann. Phys. 17] on the movements of particles suspended in liquids demanded by the

molecular theory of heat, Siedentopf (of Jena) informed me that he and other physicists- in the first instance, Prof. Gouy

(of Lyons) - had been convinced by direct observation that the so-called Brownian motion is caused by the irregular

thermal movements of the molecules of the liquid. Not only the qualitative properties of the Brownian motion, but also

the order of magnitude of the paths described by the particles correspond completely with the results of the theory.”

EinsteinEinstein

PerrinPerrin

• "Mouvement brownien et réalité moléculaire”, Ann. Chim. Phys., 18, 5–114 (1909)

• dalla Nobel lecture: DUE ISTANZE

CONTINUITA'

“A fluid such as air or water seems to us at first glance to be perfectly homogeneous and continuous; we can put more water or less water into this glass, and the experiment seems to suggest to us that the amount of water contained in it can vary by an infinitely small amount, which is the same as saying that water is "indefinitely divisible” […]

INVISIBILITA'

“Lastly, and doubtless always, but particularly at the end of the last century, certain scholars considered that since the appearances on our scale were finally the only important ones for us, there was no point in seeking what might exist in an inaccessible domain. I find it very difficult to understand this point of view since what is inaccessible today may become accessible tomorrow (as has happened by the invention of the microscope), and also because coherent assumptions on what is still invisible may increase our understanding of the visible”

N.B.

E. Mach

Ludwig BoltzmannLudwig Boltzmann

Lo humor nero di D. Goodstein (“States of matter”, 1975):

“Ludwig Boltzmann, who spent much of his life studying statistical mechanics, died in 1906, by his own hand. Paul Ehrenfest, carrying on the work, died similarly in 1933. Now is your turn to study statistical mechanics. Perhaps it will be wise to approach the subject cautiously”

meccanica + hp atomica → termodinamica

formulazione statistica dell'entropia

• Scontri con gli “energeticisti” (Mach, Ostwald)

• Battaglia snervante, maniacale, personale

"Se in un qualche cataclisma l'intera conoscenza scientifica dovesse andare distrutta ed

un'unica frase venisse tramandata alle successive generazioni di esseri viventi, quale

affermazione conterrebbe l'informazione più importante nel minor numero di parole? Io

credo che sia l'ipotesi atomica (o fatto atomico, o comunque la vogliate chiamare) che

tutte le cose sono formate di atomi – piccole particelle che girano in perpetuo moto

attraendosi l'un l'altra quando si trovano a breve distanza, ma che si respingono quando

vengono pressate l'una contro l'altra. In quest'unica affermazione, come vedrete, è

contenuta una enorme quantità di informazione sul mondo, se la si considera con un

minimo di immaginazione e la si medita appena un po' "

(R. Feynman - The Feynman Lectures)

...storia del modello atomico...storia del modello atomico

Leucippo, Democrito (440a.C.)

- interesse primario: come funziona il mondo

- non è solo idea filosofica, ma matematica:risoluzione pbm. dell'infinito (Zenone, 495 a.C.)

- problema “etico” della teoria di Democrito: anche l'anima è fatta di atomi

(perché l'anima è un soffio, è aria, e l'ariaè fatta di atomi) → questo la fa dimenticare dai posteri,per i quali sembrava una pessima idea quella di rinunciarea etica, morale ecc..

Epicuro (340 a.C.), Lucrezio (98 a.C.)

"Appese sul lido che infrange le onde, le vesti s'inumidiscono: le metti al sole, e s'asciugano: ma né in qual modo sia penetrato l'umore dell'acqua si è potuto vedere, né, poi, come sia fuggito, al calore: il liquido, dunque, si sparge in piccole parti che in alcun modo riescono gli occhi a vedere." (De Rerum Natura)

Epicuro: interessi fisici per fini etici

(es. Spinoza)

Aristotele (350 a.C.) - paradigma vincente per 2000 anni

contro l'ipotesi atomica:

come fanno gli atomi a muoversi incessantemente?

(idea del moto solo se causato e tendente al luogo naturale)

impossibilità del vuoto (il non-essere non è; R → 0 implica v → ∞)!

continuità della materia

Continuità ↔ teleologia vs. atomismo ↔ ateismo

Pierre Gassendi, 1600 ca.

E' lui che recupera definitivamente l'ipotesi atomica

“Gli scienziati faranno il nome di Dalton (nato nel 1766) e ometteranno quello di Gassendi (nato nel 1592). Eppure fu quest'ultimo che reintrodusse definitivamente nella scienza moderna l'atomismo” (Schroedinger)

Vuoto e particelle: princìpi primi

Particelle microscopiche in moto perenne e casuale

spazio e tempo assoluti, anticipa Newton

Micro per spiegare il macro

Trae ispirazione dalle prime scoperte col microscopio

Mantiene l'atomismo cercando di rimuoverne l'ateismo

Isaac Newton, 1672

"Mi sembra probabile che Dio al principio del mondo abbia formato la materia di particelle solide, dure, impermeabili e mobili, dotate di date dimensioni e figure, di date proprietà e di date proporzioni rispetto allo spazio, affinché meglio tendessero al fine per il quale egli le aveva formate"

in particolare: luce composta da particelle

E, come abbiamo visto, per analogia luce-calore, anche il calore...

Origine dell'idea Origine dell'idea scientificascientifica di atomo di atomo

Qual è la struttura della materia?

Qual è la base delle reazioni chimiche?

Che cos'è il calore?

"Come in una fuga, i diversi temi si presentano separatamente, si avvicinano uno all'altro lungo lo sviluppo, si sovrappongono, crescono a distanza, e alla fine si fondono di nuovo" (Holton)

→ vediamo l'ATOMO IN CHIMICA→ poi in FISICA

l'atomo dei primi chimici

"Che fossero oggetti minuscoli e rigidi in movimento nello spazio vuoto oppure oggetti gonfi e deformabili, stipati gli uni a ridosso degli altri come arance in una cassetta, non aveva molta importanza. E non era affatto chiaro se gli atomi di idrogeno e di ossigeno fossero entità genuinamente indivisibili, o se la formula due-più-uno per combinarli generando acqua fosse semplicemente un metodo pratico di conteggio". (D. Lindley)

Robert Boyle, 1660: due modelli; a fiocchi di lana (atomi compressibili, come molle; ma non si spiega l'espansione di un gas), o punti nell'etere (agitazione continua).

CALORE: Boyle-Newton: fornire calorico aumenta l'atmosfera attorno a ciascun atomo, aumentandone quindi la forza repulsiva verso gli altri atomi. Bernoulli: il calore aumenta la vis viva degli atomi.

"Se un giorno comunicassimo con un altra parte dell'Universo, possiamo essere certi che entrambe le civiltà avranno in comune un sistema ordinato di elementi che sarà immediatamente riconosciuto da entrambe le forme di vita intelligente"

(J. Emsley)

La tavola periodica

Come ci si arriva?

A. Lavoisier (1783)

libera la chimica dall'idea del "flogisto"

(combustione → liberazione di flogisto)

→ conservazione della massa in una reazione chimica

“in una reazione chimica in un sistema chiuso, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti ”

N.B.:

John Dalton (1803)

La materia consiste di atomi indivisibili

Gli atomi sono immutabili (NB: no a alchimia, trasmutazioni...)

I composti sono formati da molecole

Tutti gli atomi o le molecole di una sostanza sono identici

Nelle reazioni chimiche gli atomi sono solo riarrangiati, non distrutti o creati.

Legge delle proporzioni costanti/multiple

ma... teoria statica dei gas e calorico (dà credito a Newton): particelle ferme, circondate da atmosfera di calorico

ciònonostante, D. avvia un “programma di ricerca”

John Dalton – alcuni documenti originali “regione di calorico”

Composto di due atomi con regione comune di calorico

Opposizione ragionata di Sir H. Davy

“Davy's position did not derive from the obstinacy of conservatorism but rather from the inspiration

of a visionary”

(D.L. Goodstein, States of Matter)

40 sostanze note all'epoca (→ 40 atomi, principi ultimi, secondo Dalton)

di cui

26 sono metalli (alta conducibilità elettrica/termica; lucentezza; durezza, duttilità...)

→ Davy: non può essere che le stesse proprietà appaiano 26 volte! Ci deve essere un “principio di metallizzazione” sottostante → l'atomo non è la particella ultima...

IN EFFETTI si scoprirà poi che le caratteristiche metalliche dipendono dall'elettrone → in ultima analisi è l'elettrone la particella ultima della chimica

De Chancourtois, 1862: scoperta della scoperta della periodicitàperiodicità

- "Le proprietées des corps sont les proprietées des nombres" (sempre: massa atomica), è da considerarsi lo scopritore della periodicità (ma non riesce ad attirare l'attenzione)

- elementi sistemati secondo una spirale su cilindro verticale: ogni 16 numeri (rotazione 2π) c'è allineamento verticale con elemento analogo (es. Li, 7 – Na, 23): “vite tellurica” (D.C. è geologo)

- rappresentazione scomoda e con tanti errori

Newlands, 1863: le ottave le ottave (ancora: ordinamento per peso atomico)

la periodicità è legge: “it will also be seen that the numbers of analogous elements differ either by 7 or by some multiple of seven[...] The eighth element starting from a given one is a kind of repetition of the first … “the Law of Octaves”

inquinata da "metafisica", N. cerca analogia con la scala musicale

G. Hinrichs, 1867

è il primo a formulare il legame spettri ottici (Kirchhoff, Bunsen) – atomo (NB: lo stesso Bunsen non crede in tale collegamento; H. lo fa ma in modo selettivo e confuso)

cerca regole "pitagoriche"

sistema periodico "a spirale" (gruppi lungo i raggi), usa pesa atomico

H. è eccentrico, eclettico (meteorologia, lingue, astronomia)

J.L. MeyerJ.L. Meyer, 1864: tavola periodicatavola periodica

prima di Mendeleev e più corretta

in ordine di peso atomico

relazioni orizzontali e verticali

precedenza alle proprietà chimiche se in conflitto con il peso atomico

gaps (es: predice l'esistenza del Ge)

1868 (1 anno prima di Mendeleev): nuova tavola, con ulteriori 20 elementi; pubblicata postuma solo 25 anni dopo dai colleghi

L. Meyer: proprietà fsicheV

olum

e at

omic

o

Peso atomico

D. I. Mendeleev, 1869

rispetto a Meyer:

+ completa;

fa predizioni;

+ lobbying (“propagating, defending, devoting time”)

"library"

“the one that created the biggest impact on the scientific community”

Intenzione iniziale: aiutare gli studenti a memorizzare

Van de Broek, 1913

classifica utilizzando l'ordinale – intuizione del numero atomico

nel frattempo...

H. Moseley, 1914: il nr. atomicoil nr. atomico

spettro a raggi x, dominato da Z:

ν = K√Z diventa formula per predizione degli

elementi con Z mancante dalla tavola

volontario al fronte, Rutherford non riesce a trattenerlo