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Seguono ora alcuni commenti su ciascuna delle voci dell'elenco. Va detto che questi argomenti potrebbero richiedere un corso universitario semestrale.
- La nozione di atomo ha avuto origine da un problema fondamentale della chimica (n.1): perché (per esempio) un grammo di idrogeno si combina sempre con 8 grammi di ossigeno, mai di più e mai di meno? Il motivo è che ogni molecola del composto risultante -- l'acqua -- contiene sempre un numero fisso di atomi di ciascun tipo. Confrontando diverse reazioni chimiche, Dalton concluse che (per esempio) 2 atomi di idrogeno si combinavano con uno di ossigeno, generando H2O.
- Avogadro (n.2, n.5), in Italia, notò nel frattempo che esisteva una relazione semplice tra il volume e il peso dei gas. Quantità che dalla chimica sembravano combinarsi naturalmente -- 1 grammo di idrogeno, 16 gr. di ossigeno, 35,5 gr. di cloro, ecc. -- avevano lo stesso volume, e così Avogadro dedusse che esse contenevano lo stesso numero di molecole o di atomi.
(Egli suggerì anche che gli atomi, nei gas, si combinano a coppie, per generare molecole come H2, O2 e Cl2, spiegando così quello strano fattore 2. Pertanto, dobbiamo parlare del numero di molecole in 2 gr. di idrogeno, in 32 gr. di ossigeno, in 71 gr. di cloro, ecc. Tale numero è ora noto come numero di Avogadro, ed è enormemente grande).
Il lavoro di Avogadro fu ignorato per molti anni, mentre i chimici cercavano disperatamente di capire come gli atomi si combinassero tra loro. Ad un convegno di chimici nel 1860, Cannizzaro (n.5) portò l'attenzione sui risultati di Avogadro, e dopo di allora i progressi furono rapidi.
- Frattanto, si accumulavano indizi secondo cui gli atomi trasportavano cariche elettriche. Humphrey Davy (n.3) usò una corrente elettrica per separare nuovi elementi partendo da sali fusi (un processo chiamato elettrolisi). Egli ottenne in tal modo sodio e potassio, metalli teneri che bruciano violentemente.
- Faraday, che iniziò come assistente di Davy, ricavò nel 1833 le leggi dell'elettrolisi (n.4), secondo cui in una soluzione acquosa (oppure in un sale fuso), ogni atomo o frammento di molecola trasporta una carica elettrica fissa.
- Altri ricercatori studiarono il flusso di elettricità nei gas rarefatti, sotto l'influenza di un'alta tensione elettrica (le lampade fluorescenti sono un risultato di questi studi). Divenne evidente che tali correnti erano trasportate da particelle positive e negative all'interno del gas. Joseph ("J.J.") Thompson ne isolò un tipo, una particella negativa molto leggera, ne misurò le proprietà e la chiamò elettrone (n.7).
- I gas conduttori contengono anche "ioni" positivi (vagabondi) i quali pure furono studiati da J. J. Thompson. Tali ioni ("particelle alfa", in realtà nuclei di elio) erano emessi anche da elementi pesanti radioattivi, scoperti nel 1895 (n.6).
- A partire dal 1910, Robert Millikan all'Istituto di Tecnologia della California misurò accuratamente la carica dell'elettrone (n.9), spruzzando delle piccolissime goccioline di olio con uno spruzzatore in una regione di forze elettriche, tra due piastre parallele orizzontali. Alcune goccioline si caricavano elettricamente per strofinio o per radioattività, in genere con non più di 1 o 2 elettroni, e cadevano più lentamente, nel campo visivo di un microscopio di osservazione (orizzontale). Aggiustando la tensione, Millikan poteva fermarne la caduta, in modo che la forza elettrica bilanciasse esattamente il peso. Quella forza poteva essere dedotta dalla tensione, mentre il peso poteva essere ricavato togliendo la tensione e misurando il tempo di caduta, governato principalmente dalla resistenza dell'aria.
L'unica incognita rimasta era la carica elettrica, che poteva essere quindi calcolata. Confrontando questo valore con i risultati di Faraday, si può ottenere il "numero di Avogadro", cioè (per esempio) il numero di atomi di idrogeno contenuti in un grammo di tale elemento -- un numero immensamente grande. Era stata alla fine determinata chiaramente la dimensione di un atomo! Per leggere il rapporto di Millikan sulla sua scoperta, nel 1913, ved. qui.
- Ernest Rutherford, nato in Nuova Zelanda, mostrò nel 1911 che le particelle alfa vengono talvolta fortemente disperse dalle cariche positive dell'atomo, in un modo che può essere spiegato soltanto supponendo che tali cariche siano concentrate in un piccolissimo volume, praticamente un punto nello spazio. Egli quindi suggerì che ogni atomo aveva un nucleo compatto, con gli elettroni che gli fluttuavano intorno (n.8).
Il modello di Rutherford suggeriva che il nucleo fosse come un Sole in miniatura, con gli elettroni orbitanti intorno come avviene per i pianeti. Se le leggi di Newton erano valide anche su scala atomica, poteva essere in realtà così, ma successive ricerche mostrarono che, a distanze atomiche, le leggi di Newton assumevano una nuova forma. Secondo queste nuove leggi della "meccanica quantistica", gli elettroni non si muovono su orbite definite precisamente, ma sono distribuiti nello spazio in modo tale che può essere calcolata soltanto la probabilità di trovarli da qualche parte. Similmente, gli atomi eccitati possono solo esistere in uno dei vari livelli energetici ammessi.
- Restava ancora un problema: i nuclei erano troppo pesanti. I nuclei di elio hanno il doppio della carica del protone ma 4 volte la sua massa. Per un po' di tempo gli scienziati si chiesero se un nucleo di elio non contenesse 4 protoni e 2 elettroni. Fu nel 1932 che Chadwick scoprì il neutrone e così si comprese che un nucleo di elio conteneva due protoni, due neutroni e nessun elettrone. Una forma di forza nucleare ("la forza nucleare debole") controllava il rapporto tra neutroni e protoni.
- Nel 1938 Hans Bethe ipotizzò che il Sole ricavasse la sua energia dalla fusione di nuclei di idrogeno per formare elio. Egli mostrò anche come la fusione poteva procedere per mezzo di processi ciclici, comprendenti anche nuclei di carbonio e di azoto; i nuclei di carbonio e di azoto vengono poi recuperati e l'unico risultato finale è che 4 atomi di idrogeno si combinano in un atomo di elio. Oggi si ritiene che il ciclo di Bethe avvenga principalmente nelle stelle un po' più calde del nostro Sole.
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