La concezione moderna degli atomi e delle molecole, e delle particelle che li compongono, si è fatta strada soltanto all’inizio del XX secolo. Diversamente dagli antichi greci, che osservavano ciò che accadeva nel loro mondo, vi riflettevano attentamente, ma non avevano modo di mettere alla prova le proprie conclusioni, la concezione moderna della struttura della materia si fonda su molti decenni di esperimenti, controllati e ripetuti in tutto il mondo. Questi esperimenti hanno dimostrato la verità dell’idea greca secondo cui tutta la materia si può dividere in piccole particelle che noi, seguendo loro, chiamiamo <atomi>. Abbiamo anche imparato che in natura sono presenti circa cento tipi di questi atomi.

Gli atomi si combinano per formare molecole semplici, come l’acqua, o molecole organiche complesse, come il DNA, il mattone essenziale di tutta la vita sulla Terra, composto a sua volta da milioni di atomi.

L’atomo è soprattutto spazio vuoto, anche se abitato da uno sciame, simile a una nuvola, di elettroni orbitanti, ognuno dei quali portatore di una minuscola carica elettrica negativa. Il cuore dell’atomo, il nucleo, è all’incirca 100.000 volte più piccolo dell’intero atomo. Per avere un’idea di questa scala di dimensioni, basta pensare al Colosseo o ad uno stadio. Se un atomo venisse ingrandito fino alle dimensioni di quello stadio, il nucleo sarebbe rappresentato da un chicco di riso sospeso al suo centro.

Per comporre molecole, gli atomi si collegano tra loro scambiandosi elettroni. Il nucleo, dov’è situata gran parte della massa, di solito non svolge alcun ruolo nelle reazioni chimiche che formano le molecole. Il nucleo è fatto di neutroni e protoni, questi ultimi  a carica positiva. I neutroni non hanno alcuna carica elettrica e hanno una massa paragonabile a quella di un protone, cioè 2000 volte circa quella dell’elettrone. Il numero di protoni nel nucleo determina il numero di elettroni nella parte esterna dell’atomo, poiché ogni protone a carica positiva va controbilanciato da un elettrone a carica negativa, in modo che l’atomo sia elettricamente neutro. Possiamo capire quindi come attraverso queste forze elettriche gli elettroni siano mantenuti in orbita attorno al nucleo dell’atomo. Gli atomi stessi non sono molto grandi (hanno un raggio di circa 10^-8 cm) e i più grossi si possono vedere soltanto con i più potenti microscopi elettronici; pertanto il nucleo è davvero piccolissimo e rimane invisibile. In realtà per <vedere> il nucleo occorrono gli acceleratori, che ampliano i limiti convenzionali della visione microscopica.

Fino a poco tempo fa, sembrava possibile interpretare quel centinaio di atomi con la combinazione di tre particelle: il neutrone e il protone formavano il nucleo e l’elettrone stava all’esterno. Insomma, l’insieme disordinato di cento diversi tipi di materiali si poteva ridurre ai tre mattoni fondamentali della natura. Si scoprì però che non era stata detta l’ultima parola. Negli anni Cinquanta e Sessanta vennero effettuati, grazie a nuovi acceleratori di particelle molto potenti, esperimenti a energie sempre più alte. Nel sondare ulteriormente il neutrone e il protone, si scoprì un intero zoo di nuove particelle. Sulla base delle idee che portarono alla riduzione di cento atomi a tre sole particelle fondamentali, i fisici ebbero il sospetto che la gran quantità di nuove particelle stesse in realtà a indicare l’esistenza di particelle fondamentali ancora più piccole. Infatti gli esperimenti degli anni Settanta dimostrarono che tre particelle più piccole, chiamate quark, si potevano combinare per formare neutroni, protoni e gran parte delle altre particelle. Mentre il neutrone e il protone non sono più fondamentali, l’elettrone, ormai assimilato alla più vasta famiglia dei leptoni, sembrava altrettanto primordiale dei quark.

Un esame di queste particelle porta inevitabilmente a considerare le forze che le legano. Abbiamo già accennato alla forza elettromagnetica che nell’atomo tiene uniti il nucleo e gli elettroni. Ce ne sono altre che fanno parte del sistema teorico noto come <modello standard>.

Oltre a interagire attraverso la forza elettromagnetica, i quark sembrano utilizzare un’altra forza, più potente: la forza forte. Questo solido legame dei quark spiega perché i neutroni e i protoni possono addensarsi tanto, senza che il nucleo esploda a causa della repulsione delle cariche elettriche dei protoni. I potenti campi di forza all’interno dei protoni e dei neutroni sono abbastanza estesi da legarli entrambi saldamente all’interno del nucleo.

Abbiamo familiarità con forze che spingono o tirano, che attraggono o respingono, ma ci sono anche forze che trasformano una particella in un’altra, dette collettivamente interazioni. Pare ci sia un’interazione che trasforma un tipo di quark in un altro tipo, chiamata interazione debole. La materia sembra quindi richiedere tre tipi di interazioni: quella elettromagnetica, che unisce gli elettroni ai nuclei; l’interazione (o forza) forte, che tiene uniti i quark; l’interazione debole, che può trasformare un quark in un altro tipo di quark, oppure, in modo equivalente, cambiare un neutrone in protone o un protone in neutrone.

Il modello standard contempla un’ultima forza. Anche se essa non svolge un grande ruolo nella formazione di atomi e molecole, è essenziale alla struttura dell’universo. E’ la gravità, la forza che attira l’uno verso l’altro due oggetti qualsiasi dotati di massa. Le masse dei singoli atomi sono minime, e al loro livello la forza gravitazionale è trascurabile; molto più rilevanti sono invece le tre forze di cui si parlava prima. (Persino l’interazione debole è molto, molto più potente della gravità) Ma su scala cosmica la gravità è la forza dominante dell’universo: muove le stelle e i pianeti e tiene unito lo stesso universo.

Se la forza gravitazionale vince sulle grandi distanze, mentre soccombe su quelle piccole, è perché sulle grandi distanze le altre forze finiscono col compensarsi e sono prive di effetti. Perché vi sia per esempio attrazione o repulsione, la forza elettromagnetica esige cariche elettriche; gli atomi però tendono a essere elettricamente neutri e grandi gruppi di atomi hanno una carica elettrica nulla. Analogamente, i nuclei sembrano contenti di rimanere tali e non interagiscono fortemente fuori dal proprio settore. Allo stesso modo, l’interazione debole che modifica i quark funziona soltanto nell’ambito del nucleo. Grandi gruppi di atomi non evidenziano alcuna forza esterna, né forte, né debole, né elettromagnetica: rimane soltanto la forza cumulativa, straordinariamente debole, della gravità. Quando gli atomi si aggregano in quantità sufficienti, come nei pianeti e nelle stelle, la gravità diventa la forza dominante.

per approfondire : La Fisica delle particelle elementari