28/4/1997
L'elettrone ha 100 anni
La particella che ha rivoluzionato la scienza, la tecnologia e la nostra vita
Quest'anno si celebra il centenario della scoperta dell'elettrone, la particella con massa piccolissima che porta l'unita' base di carica elettrica. Si e' trattato di una scoperta fondamentale, la scoperta di un oggetto materiale molto piu' piccolo e molto piu' leggero del piu' piccolo atomo. Gli scopritori considerarono l'elettrone una particella veramente elementare, e cio' resta vero anche oggi.
Dopo 100 anni dalla scoperta conosciamo quasi tutto dell'elettrone: la sua massa, la sua carica elettrica, il suo momento angolare e il suo momento di dipolo magnetico sono noti con grande precisione. Pero' non conosciamo ancora le sue dimensioni: sappiamo solo che debbono essere inferiori ad un centesimo di millesimo di miliardesimo di millimetro, 0.00000000000000001 metri (10-17 m)! E' questa la dimensione piu' piccola finora esplorata utilizzando i piu' grandi acceleratori disponibili. Fino a queste dimensioni l'elettrone resta un oggetto puntiforme, come gia' sembrava 100 anni fa. Nel contempo l'elettrone ha portato a una serie di rivoluzioni tecnologiche, che hanno cambiato profondamente la nostra vita quotidiana.
Ma cerchiamo di ricostruire come fu scoperto l'elettrone.
Tradizionalmente la scoperta dell'elettrone e' attribuita al grande fisico inglese J.J. Thomson, premio Nobel per la fisica nel 1906, con la seguente motivazione: ".... in riconoscimento dei grandi meriti dei suoi studi teorici e sperimentali sulla conduzione dell'elettricita' nei gas". Questi studi includono la scoperta dell'elettrone nei cosidetti raggi catodici in tubi contenenti un gas a bassa pressione sottoposto ad un forte campo elettrico. Molti lavori furono svolti da piu' studiosi, indipendentemente; la conclusione finale fu tratta da J.J. Thomson.
Verso la fine dell'800 Michael Faraday, studiando l'elettrolisi, aveva ipotizzato l'esistenza di cariche elettriche fondamentali. Ma la scoperta dell'elettrone e' strettamente legata all'interesse mostrato sul finire del secolo scorso da parte di molti fisici per le scariche elettriche generate in tubi di vetro riempiti di gas in cui sia applicata una forte differenza di potenziale fra due elettrodi e quando si abbassi la pressione nel gas. Queste scariche generavano una serie di interessanti fenomeni luminosi, gia' descritti circa un secolo prima da vari precursori, come l'inglese William Watson, che scriveva: ".... era uno spettacolo straordinario, quando la stanza era al buio, vedere l'elettricita' al suo passaggio". Per noi, che siamo abituati a vedere ogni sera una quantita' di luminosissimi tubi al neon, non e' una novita'. Ma naturalmente lo era per tutti i fisici che allora studiavano tali fenomeni.
Abbassando di molto la pressione nel gas si riusci' a vedere un "raggio" partire dall'elettrodo negativo e che si dirigeva verso quello positivo. Dato che l'elettrodo negativo veniva chiamato catodo, si parlo' subito di raggi catodici.
Una volta individuati i raggi catodici, molti fisici iniziarono a chiedersi che cosa fossero. Alcuni li consideravano delle onde elettromagnetiche simili alla luce, altri li consideravano come costituiti di particelle elementari, con carica negativa, in moto. Se e' vera questa seconda ipotesi, ciascuna particella del fascio deve avere una carica elettrica (e) e una massa (me). Quindi tali raggi debbono essere deviati da un campo elettrico e anche da un campo magnetico, e debbono fermarsi quando attraversano lamine di qualsiasi materiale, se sufficientemente spesse.
William Crookes mise a punto una versione perfezionata di tubi a vuoto e mise in evidenza che i raggi catodici venivano deviati da un magnete. Il primo fisico che misuro' il rapporto tra carica e massa dell'elettrone (e/me), tramite la deflessione dei raggi catodici in campo magnetico, fu il tedesco Emil Weichert a Berlino. Assumendo che l'elettrone portasse una carica elettrica definita, Weichert annuncio' il 7 gennaio 1897 che ".... non abbiamo a che fare con atomi conosciuti nella chimica, perche' la massa di queste particelle in moto e' di circa 2000 volte piu' piccola di quella dell'atomo chimico piu' leggero che si conosca, l'idrogeno".
Un altro tedesco, Walter Kaufmann, anche lui di Berlino, ottenne risultati importanti dimostrando che il rapporto tra carica e massa delle particelle dei raggi catodici non varia al variare del gas immesso nel tubo. Ancora a questo punto, la scuola tedesca restava riluttante a parlare di particelle, continuando a parlare di raggi.
J.J. Thomson, che effettuava i suoi esperimenti nel famoso Cavendish Laboratory di Cambridge, di cui era direttore, effettuo' tre tipi di misure: deflessione in un campo magnetico, deflessione in un campo elettrico e misura della ionizzazione da parte dei raggi catodici in un nuovo strumento, la camera di Wilson, inventata nel frattempo da un suo studente (C.T.R. Wilson). Da queste misure Thomson calcolo' velocita', carica e massa dei costituenti dei raggi catodici. A partire dall'aprile 1897 Thomson fece una serie di seminari nei quali comunico' che: ".... nei raggi catodici si ha materia in un nuovo stato, uno stato in cui la suddivisione e' spinta molto oltre quella atomica o molecolare di un gas usuale; e' uno stato in cui tutta la materia e' di uno stesso tipo; questa materia la si ritrova in tutti gli elementi chimici". Dimostro' quindi che i raggi catodici erano costituiti di particelle, che portavano la carica elementare postulata da Faraday, avevano una massa molto piccola (1/1840 volte quella dell'atomo d'idrogeno) ed erano molto veloci. Il nome di elettrone era gia' stato proposto da George Stoney prima ancora della sua scoperta: elettrone in greco vuol dire ambra, la resina che strofinata con pelle di gatto si carica elettricamente e attiva piccoli oggetti.
Si puo' dire che con la scoperta dell'elettrone nasce la fisica moderna e si avvia una rivoluzione scientifica che ha proceduto a ritmi serrati. Da quel momento l'atomo non era piu' la particella indivisibile ipotizzata da Democrito, ma diventava un oggetto complicato, che doveva in qualche modo contenere gli elettroni, con carica negativa, ed altri "oggetti" con carica positiva. Thomson propose un modello di atomo che assomigliava al panettone con uvetta passita: la carica elettrica positiva distribuita uniformemente come la mollica nel panettone, mentre gli elettroni sono distribuiti come i granelli di uva passita. Il tutto in modo da ottenere un atomo elettricamente neutro.
Ma il modello dell'atomo di Thomson non resse alle scoperte successive e venne rapidamente sostituito con il modello planetario di Bohr-Rutherford, in cui gli elettroni ruotano nello spazio vuoto attorno ad un piccolo e pesante nucleo in cui e' concentrata la carica positiva. Successivi sviluppi richiesero modelli semi-quantistici e infine totalmente quantistici.
Oggi l'elettrone resta un oggetto elementare; e' descritto da una teoria quantistica di campo che spiega come esso si possa comportare sia come particella che come onda. Ma restano molte domande senza risposta sulla natura dell'elettrone. Non sappiamo per esempio se e' puntiforme o se ha dimensioni finite: sappiamo solo che il suo raggio e' inferiore a 10-17 m. Che relazione c'e' fra massa e raggio dell'elettrone? e dov'e' collocata la sua carica elettrica? e come puo' avere un momento angolare di spin se non c'e' qualcosa che ruota?
Come gia' detto la scoperta dell'elettrone ha dato inizio a una serie di rivoluzioni tecnologiche: prima le valvole elettroniche (che consentirono l'avvio della radio e della televisione), poi i tubi a raggi catodici (che sono alla base degli schermi per televisori e per calcolatori), i transistors (che hanno sostituito le valvole, dando inizio alla miniutarizzazione dell'elettronica), i tubi a raggi X (usati in medicina), ecc.
Constatiamo che dopo la scoperta dell'elettrone, il nostro modo di vivere e' profondamente mutato: l'elettrone fluendo nei calcolatori contribuisce al nostro tipo di lavoro, bombardando gli schermi della tv riempie le nostre serate, fluendo nei tubi a raggi X contribuisce ad individuare le nostre malattie.
Una curiosita: "navigando" in Internet, utilizzando i piu' importanti "motori" di ricerca, alla voce "elettrone" compare una lunga lista di argomenti scientifici e tecnici. Ma tra questi compaiono anche alcune amenita', quali la "vita sessuale di un elettrone". Vedi per esempio il sito http://www.netins.net/shocase/mpeabody/electron.html.
Giorgio e Roberto Giacomelli