Di cosa è fatta la materia?

Un atomo è un’entità formata da un nucleo di dimensioni piccolissime, attorno a un milionesimo di miliardesimo di metro (10^-15 metri), composto da protoni e neutroni e uno o più elettroni (in numero pari ai protoni nel nucleo) che in qualche modo vi si trovano intorno, in posizioni simili a delle orbite ma mai definite (orbitali).

Gli elettroni esterni identificano i confini dell’atomo, sebbene non siano mai netti.

L’atomo più semplice è quello di idrogeno, formato da un nucleo composto da un protone e un solo elettrone che in qualche modo gli “orbita” intorno. 

Rappresentazione schematica di un atomo di idrogeno.

Un atomo di idrogeno ha un raggio tipico (raggio di Bohr) di 5,3∙10^-11 metri, mentre le particelle che lo formano hanno dimensioni dell’ordine di 10^-15 metri. Un momento, ragioniamo su questi due dati: il raggio di un atomo è circa 10.000 volte maggiore del raggio delle particelle che lo compongono; questo è qualcosa di incredibile! Per avere un paragone con numeri più familiari, possiamo immaginare le particelle dell’atomo grandi come una pallina da tennis; bene, la distanza alla quale l’elettrone orbita attorno al nucleo è pari a circa 250 metri! 
 

Un atomo è sostanzialmente vuoto, poiché oltre il 99,99% del volume non è occupato da alcuna particella. Tra il nucleo e gli elettroni c’è semplicemente un volume infinitamente grande e vuoto. Se quindi vi capita di chiedere a qualche fisico come è fatta la materia e in cambio ricevete la risposta “la materia è vuota”, non vi sta prendendo in giro, ma sta semplicemente analizzando la realtà: un bicchiere contenente una goccia d’acqua per voi è pieno o vuoto? Bene, per gli atomi vale lo stesso!

Il fatto che gli atomi siano per il 99,99% vuoti è davvero un bene per tutti gli abitanti dell’Universo. Le particelle subatomiche di cui sono composti sono infatti estremamente concentrate, ovvero possiedono densità elevatissime. 

La densità di un neutrone è di circa 10¹⁴ grammi su centimetro cubo (centomila miliardi di grammi ogni centimetro cubo!). 

In altre parole, se l’atomo fosse pieno per tutto il suo volume, un centimetro cubo di materia peserebbe, sulla Terra, circa 100 miliardi di kg!

L’Universo stesso non sarebbe esistito. Se gli atomi sono praticamente vuoti, vuol dire che questa era la condizione migliore per sviluppare un Universo stabile per miliardi di anni.

Sebbene il modello classico planetario sia facilmente visualizzabile, l’atomo non è un sistema solare in miniatura e gli elettroni non sono particelle ben definite che ruotano intorno al nucleo. 

La struttura di un atomo non si può visualizzare correttamente, perché totalmente diversa da qualsiasi situazione ed esperienza che noi uomini possiamo vivere e osservare (e il cervello non può immaginare qualcosa che non ha mai visto!).

Sebbene l’idea degli antichi greci fosse concettualmente corretta, gli scienziati del diciannovesimo secolo hanno avuto forse un po’ troppa fretta nel definire atomo questa entità, che è solo l’inizio dell’infinitamente piccolo, la parte più grande che racchiude un mondo di particelle davvero complesso e che negli ultimi anni, grazie a imponenti acceleratori, si sta riuscendo finalmente a scoprire.