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Modelli atomici a confronto
Dopo la scoperta dell'elettrone avvenuta nel 1897, Joseph John Thomson ipotizza un primo modello atomico complessivamente neutro in cui la carica positiva ha una massa molto maggiore rispetto alla carica negativa. A massa maggiore Thomson pensa di associare anche volume maggiore. Il modello atomico proposto da Thomson nel 1903 è una sfera positiva, uniformemente carica di raggio pari al raggio atomico (circa 10-10 m). Gli elettroni sono conficcati nella sfera come l'uvetta nel panettone (In verità, poiché Thomson era inglese, più che di panettone dovremmo parlare di pudding, tipico dolce inglese).
- Una carica Q positiva puntiforme
- Una sfera con la carica Q disposta sulla superficie
- Una sfera con la carica Q disposta anche all'interno
L'intensità del campo elettrico creato da un atomo d'oro che ha una carica positiva 79 volte maggiore di quella dell'idrogeno, sarebbe stata, utilizzando il modello della sfera carica piena, nullo al centro dell'atomo, in crescita lineare all'interno di esso fino ad un valore di picco circa Emax = 1013 N/C in corrispondenza della "superficie" dell'atomo, per poi decrescere rapidamente fuori di esso.
Il modello di Thomson entrò in crisi tra il 1909 ed il 1911 in seguito ad una serie di esperimenti condotti nell'Università di Manchester dal neozelandese Ernest Rutherford con la collaborazione dei giovani fisici tedeschi Geiger e Marsden. Rutherford si occupava della neonata radioattività e, per ottenere informazioni sull'atomo lo bombardava con proiettili di dimensioni atomiche, analizzando la deflessione subita dai proiettili dopo l'urto. Nell'esperimento di Rutherford i proiettili erano costituiti da particelle α (nuclei d'elio) emesse da una sorgente radioattiva (polonio), mentre il bersaglio era una sottilissima lamina d'oro, con uno spessore pari ad uno strato di qualche migliaio di atomi appena.
Ragionando per analogia è come se volessimo ottenere informazioni su un oggetto sconosciuto posto all'interno di una scatola chiusa sparando contro di essa con una mitragliatrice; se ad esempio tutti i proiettili attraversano la scatola quasi indisturbati si può pensare che il contenuto sia poco resistente e tenero, se invece qualche proiettile viene fortemente deviato o addirittura rimbalza indietro si può ipotizzare che all'interno vi siano oggetti molto tenaci e duri.
Le attese degli sperimentatori, sulla base del modello di Thomson, erano che i proiettili avrebbero attraversato lo strato di atomi come se fosse stata carta o burro, tenendo conto che le particelle α costituivano proiettili massicci che arrivavano sulla lamina d'oro ad alta velocità: con il modello di Thomson, il campo elettrico sarebbe stato troppo debole per deviare sensibilmente le particelle α.
Era come se la carica positiva nell'atomo fosse in grado di esercitare sulle particelle α forze repulsive molto più intense di quelle previste dal modello a panettone. Rutherford disse "era come se vi fosse capitato di sparare un proiettile da 15 pollici su un pezzo di carta velina e questo fosse tornato indietro a colpirvi".
Si ipotizzò allora che la carica positiva fosse concentrata in una zona di raggio molto minore di quello dell'atomo e, sulla base delle frequenze statistiche delle particelle rimbalzate indietro, si valutò la sezione d'urto e quindi il raggio corrispondente della zona occupata dalla carica positiva che fu valutato 1,5 10-14 m
Se la carica positiva occupa una zona molto minore delle dimensioni atomiche, allora il campo elettrico raggiunge valori decine di milioni di volte più intensi (circa 1020 N/C contro i 1013 N/C previsti dal modello di Thomson). Questo spiega l'enorme forza repulsiva sulle particelle α che si trovino quasi in rotta di collisione con un nucleo d'oro.
Sulla base dei risultati sperimentali, Rutherford nel 1911 propose un nuovo modello atomico, detto anche atomo planetario per la struttura analoga a quella del sistema solare. Nel modello di Rutherford, l'atomo è vuoto e la carica positiva è concentrata nel nucleo. Il raggio nucleare varia da 10-15 a 10-14 m passando dall'idrogeno agli elementi pesanti, mentre gli elettroni, in numero tale da bilanciare la carica positiva del nucleo, ruotano su orbite di raggio compreso tra 10-10 e 3 10-10 m.
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