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La svolta si ebbe nel 1925 con la teoria avanzata da Louis De Broglie che iniziò a considerare l’elettrone con proprietà corpuscolari e ondulatorie; questa teoria fu sperimentalmente verificata da Davisson e Germer che bombardarono con un fascio di elettroni un cristallo di nichel ed ottennero la stessa diffrazione che si osservava nei raggi X (già era stata assegnata questa duplice proprietà alle radiazioni). Queste nuove scoperte portarono alla nascita della fisica quantistica, dal momento che alla materia fu assegnata la dualità onda-particella.
Nel 1926 Erwin Schrodinger formulò un’equazione matematica che descriveva il comportamento dell’elettrone come onda, nella quale, secondo Max Born, il quadrato del valore assoluto dell’ampiezza dell’onda di un elettrone rappresentava la probabilità di trovare l’elettrone in un punto dello spazio attorno al nucleo. In questo modo l’elettrone veniva rappresentato solamente come un’onda che si comportava da particella.
Da allora in poi si abbandonò il concetto di orbita, che venne sostituito dal concetto di orbitale, cioè la regione di spazio nella quale è più probabile trovare un elettrone attorno al nucleo.
Un anno più tardi Werner Heisenberg, sviluppò le conoscenze sulla struttura atomica, rilevando che non era possibile conoscere contemporaneamente sia la posizione sia l’esatto momento di una particella elementare, con il principio di indeterminazione.
Negli anni seguenti ebbe inizio una lunga serie di scoperte di particelle fino ad allora sconosciute; nel 1932 James Chadwick scoprì sperimentalmente il neutrone, successivamente Carl David Anderson scoprì l’antiparticella dell’elettrone, il positrone. Con lo studio della radioattività naturale di Henri Becquerel si iniziò a dubitare dell’elementarità del protone e del neutrone. Infatti nel decadimento beta l’atomo emetteva fasci di elettroni dal nucleo. Per spiegare questo fenomeno Enrico Fermi introdusse l’esistenza di un’altra particella, il neutrino, trovato sperimentalmente da Fred Reiners e Charles Cowan.
Nel 1937 venne scoperto il muone con massa circa 200 volte quella dell’elettrone e con carica negativa.
Intorno al 1963 i fisici Murray Gell-Mann e George Zweig ipotizzarono che il protone e il neutrone fossero costituiti da quark (particelle con carica frazionaria, che non potevano esistere singolarmente a causa della potente attrazione); ipotesi che vennero successivamente confermate dai risultati ottenuti dagli acceleratori di particelle del CERN, a Ginevra.
I quark che sono stati finora individuati sono 6: d (down), u (up), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top).
Il protone è formato da due quark u e uno d; il neutrone è formato da due quark d e uno u.
Allo stato attuale si pensa che tutto l’universo sia governato da quattro forze fondamentali: la forza nucleare forte, che si manifesta all’interno del nucleo tra i quark, la forza nucleare debole, che si osserva nelle reazioni nucleari o nel decadimento radioattivo, la forza elettromagnetica, che si osserva nell’atomo in quanto lega gli elettroni con il nucleo, e la forza gravitazionale, che si manifesta nei sistemi planetari e nella caduta dei corpi.
Secondo questa teoria le interazioni tra le particelle avvengono tramite degli scambi di energia, cioè di quanti, a cui viene dato il nome di particelle mediatrici.
Utilizzando le teorie e le scoperte degli ultimi quarant’anni si è arrivato a un modello, chiamato Modello Standard, secondo il quale le particelle elementari di tutta la materia presente nell’universo sono raggruppabili in tre famiglie: i leptoni (particelle elementari comprendenti l’elettrone, il muone, il tauone e i loro corrispondenti neutrini); i quark e le particelle mediatrici (gravitone, fotone, gluone, mesoni e vettori bosoni intermedi).
Anche se questo modello sembra molto dettagliato, esso presenta alcuni difetti. Infatti, riesce a unificare solamente la forza elettromagnetica con quella nucleare debole. Si sta cercando di includere quella nucleare forte attraverso alcuni esperimenti, ma non si riesce a inserire la forza gravitazionale, anche perché non è stata individuata la sua particella mediatrice (il gravitone).
Questo modello prevede che le particelle abbiano tutte la velocità della luce, proprietà che realmente non viene riscontrata, quindi si ipotizza la presenza di un altro tipo di particella, detta bosone di Higgs, ancora non rilevata sperimentalmente, ma che viene ricercata soprattutto nel Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra.
Un’altra teoria moderna molto accreditata è la teoria delle stringhe, la quale sostiene che tutte le particelle elementari sono costituite da cordicelle o stringhe tutte uguali, con la sola differenza nel tipo di vibrazione, che definisce le proprietà della particella stessa. La vibrazione non avviene in uno spazio di tipo tridimensionale, ma può arrivare anche a nove dimensioni, più quella temporale. All’interno di questa teoria ce ne sono altre leggermente differenti tra di loro. Attualmente queste teorie non sono considerate convincenti e sono oggetto di molti dubbi.
I modelli nascono sempre dalle intuizioni di alcuni scienziati e vengono considerati validi fino a che sono in grado di spiegare i fenomeni osservati. Quando poi, alla luce di altre scoperte, essi non sono più soddisfacenti, si rielabora il modello, a volte anche radicalmente, come nel caso del passaggio dalla fisica classica a quella quantistica, rendendolo in grado di rispecchiare la realtà. Nessun modello può dirsi, quindi, definitivo e le nuove continue scoperte richiedono la formulazione di modelli sempre più complessi.
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