Dentro un atomo

Se un atomo fosse grande come uno stadio di calcio, il suo nucleo sarebbe grande più o meno come un pisello al centro.

Taglia a metà un pezzo di carta stagnola, poi ancora a metà, e continua. Molto prima di finire la stagnola arriveresti a un pezzetto così piccolo che tagliarlo un'altra volta non ti darebbe più alluminio. Quel pezzetto più piccolo è un atomo. Un singolo atomo misura circa un decimiliardesimo di metro, troppo poco per vederlo con qualsiasi microscopio ottico, eppure ogni atomo è costruito con soli tre tipi di particelle.

Tre particelle

Protoni e neutroni sono stipati in un minuscolo nucleo al centro, che contiene quasi tutta la massa dell'atomo. Gli elettroni sono distribuiti intorno e occupano quasi tutto lo spazio dell'atomo. Il diametro di un nucleo è da 10 000 a 100 000 volte più piccolo di quello dell'atomo intero. Secondo il NIST il protone è 1836.15 volte più pesante dell'elettrone, quindi anche un atomo con molti elettroni riceve da loro molto meno dell'1% della sua massa.

Le cariche opposte si attraggono, quindi gli elettroni negativi sono trattenuti vicino al nucleo positivo. I protoni però si respingono tra loro, e un nucleo con diversi protoni andrebbe in pezzi se l'unica forza in gioco fosse quella elettrica. Una forza molto più intensa, chiamata interazione nucleare forte, tiene insieme protoni e neutroni, ma solo alle minuscole distanze dentro un nucleo.

Il numero atomico

Il numero di protoni decide di quale elemento è un atomo. Ogni atomo con 6 protoni è carbonio, e ogni atomo con 8 è ossigeno. Quel numero è il numero atomico, e la tavola periodica è ordinata secondo questo numero, dall'idrogeno con 1 in su. In un atomo neutro il numero di elettroni è uguale al numero di protoni, quindi le cariche si annullano. Se un atomo perde o acquista elettroni diventa uno ione: il sodio che ha perso un elettrone ha 11 protoni e 10 elettroni, quindi ha carica +1.

Numero di massa e isotopi

Protoni più neutroni danno il numero di massa. Gli atomi di uno stesso elemento possono avere numeri diversi di neutroni. Sono gli isotopi. Il carbonio-12 ha 6 neutroni, e il carbonio-14, usato per datare oggetti antichi, ne ha 8. Il numero dopo il nome è il numero di massa, quindi il numero di neutroni è sempre il numero di massa meno il numero atomico.

Come lo abbiamo scoperto

Nessuno ha mai guardato un protone attraverso una lente. Ogni particella è stata ricavata dagli esperimenti. Nel 1897 J. J. Thomson, al Cavendish Laboratory di Cambridge, mostrò che i raggi catodici erano fatti di minuscole particelle negative molto più leggere di qualsiasi atomo: gli elettroni. La squadra di Ernest Rutherford sparò particelle alfa veloci contro una sottile lamina d'oro, e alcune rimbalzarono quasi all'indietro. Nel 1911 Rutherford spiegò il fenomeno con un nucleo piccolo, pesante e positivo. James Chadwick dimostrò nel 1932 che il nucleo contiene anche particelle senza carica, i neutroni, e per questo vinse il Premio Nobel per la fisica del 1935.