Una volta chiesero ad uno scienziato cosa avrebbe salvato della cultura scientifica in previsione di una distruzione totale. Egli rispose senza esitare: "la conoscenza dell'atomo, della sua struttura e delle sue proprietà".
Quando, nell'antichissima Grecia, Democrito, probabilmente giocando con la sabbia, ebbe l'intuizione che la materia non doveva essere continua come una lastra di marmo, ma formata di piccolissime, invisibili particelle "ultime", non sapeva certo quale meccanismo avesse innescato e quali incredibili conseguenze questa sua "scommessa" avrebbe contribuito a creare. Dagli "atomos" (indivisibili appunto) di Democrito sono passati molti secoli prima che gli alchimisti e poi i chimici fornissero prove sensate dell'esistenza degli atomi. E non è molto tempo che si è cominciato a pensare ad una loro organizzazione interna. Non potendo essere viste, queste piccole particelle vengono "immaginate", di esse si costruiscono dei "modelli" il cui scopo è di spiegare i fenomeni che noi riusciamo a vedere. La costruzione di un modello quindi non può essere fatta a casaccio. E' un po' come quando tastiamo sotto un lenzuolo degli oggetti spigolosi; a nessuno verrebbe in mente di dire che là sotto ci sono dei pompelmi e va bene così perché tanto nessuno ci può guardare!
Il primo modello, assai approssimativo, risale a quando il secolo scorso era appena cominciato (1902) e venne poi modificato ogni volta che una nuova scoperta faceva capire che "così come lo pensavamo l'atomo non poteva proprio essere".
La struttura atomica è piuttosto complessa, ma alcune cose le possiamo dire con sicurezza: esistono particelle più piccole dell'atomo. Anzi queste lo costituiscono. Si tratta dei protoni, dei neutroni e degli elettroni. Il loro comportamento è molto strano e per descriverlo servono formule matematiche assai complicate. Per quello che ci interessa qui il modello che scegliamo non deve essere necessariamente il migliore: ne useremo uno che descriva con sufficiente precisione quello che ci interessa. Nel 1911 il gruppo di lavoro di Ernest Rutherford*, sulla base di numerosi esperimenti, fornì al mondo l'immagine di un atomo costituito da un nucleo centrale molto denso e avente una carica elettrica positiva, circondato a grandi distanze da minuscole particelle chiamate elettroni aventi carica elettrica negativa. Il fatto che l'atomo fosse neutro fece supporre (giustamente) che protoni ed elettroni fossero in numero uguale. Ma secondo i calcoli di Rutherford mancava ancora un po' di massa (la grandezza fisica che misura quanta materia un corpo contiene) nel nucleo e quindi dovevano essere presenti altre particelle, prive di carica. Nel 1932 Chadwick le scoprì: ad esse venne imposto il nome di neutroni. Cerchiamo di fare il punto. Un atomo occupa mediamente uno spazio di un decimo di miliardesimo di metro (insomma ce ne vuole 1 milione per fare la punta di uno spillo), ma il nucleo è molto più piccolo: fino a 100 mila volte inferiore. Questo significa che la materia è essenzialmente vuota poiché le particelle occupano soltanto lo 0,001% dello spazio. Le particelle del nucleo hanno masse ovviamente molto modeste, dell'ordine di un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di kg (un numero con 26 "zeri" dopo la virgola e prima di un "uno"). Va ancora peggio agli elettroni che hanno massa quasi 2000 volte più piccola dei protoni e dei neutroni. Noi pensiamo che gli elettroni orbitino attorno al nucleo un po' come fanno i pianeti del sistema solare attorno al sole. Questa rappresentazione dà qualche problema (piuttosto serio) alla fisica; infatti ci sono principi di elettromagnetismo che questo modello non sa spiegare. Ma noi ce lo teniamo lo stesso per poter ragionare con più semplicità anche se con un po' meno di precisione.
La domanda che abbiamo di fronte è la seguente: è possibile modificare un atomo? Se sì, come si fa?
Nell'atomo sono presenti cariche elettriche. Queste hanno la proprietà di attrarsi se sono di segno opposto (positive e negative) e di respingersi se invece hanno lo stesso segno. Così, nel nostro modello, gli elettroni girano attorno al nucleo grazie alla forza di attrazione dei protoni, proprio come i pianeti ruotano attorno al sole grazie alla forza gravitazionale che questo esercita.
Ma gli elettroni non sono tutti alla stessa distanza dal centro: ce ne sono di più vicini e di più lontani. Essi si trovano su "orbite" ben definite e il loro numero per ciascuna orbita è altrettanto ben definito (ad es. 2 sulla prima, 8 sulla seconda e sulla terza, ...). Un'altra notazione è quella che la stabilità di un atomo è intimamente legata all'occupazione delle orbite: più queste sono "piene di elettroni" e più stabile è l'atomo. Immaginate adesso di avere a che fare con un atomo di Sodio (simbolo Na); questo possiede 11 elettroni: 2 sulla prima orbita, 8 sulla seconda e l'ultimo sulla terza. Questa è quindi "quasi vuota" se non fosse per quell'undicesimo elettrone.
Il Cloro (simbolo Cl) invece possiede 17 elettroni: due sulla prima orbita, 8 sulla seconda e 7 sulla terza: ne manca uno per completarla e rendere così l'atomo stabile. Cosa avviene allora quando un atomo di sodio e di cloro "si incontrano"? Il primo non vede l'ora di sbarazzarsi del proprio elettrone esterno, il secondo lo accetta più che volentieri. Entrambi sono così diventati molto più stabili. Tuttavia in questo modo gli atomi non sono più neutri: il sodio è diventato positivo (ione positivo) perché ha perduto un elettrone, mentre il cloro è diventato negativo (ione negativo) per il motivo opposto. I due atomi rimangono quindi attaccati perché cariche di segno opposto si attraggono. In questo modo si è formata una molecola di NaCl, cloruro di sodio, il normale sale che abbiamo tutti in cucina.
Questo è un esempio di "interazione tra atomi" che dà origine ad una reazione chimica. Un altro modo di modificare gli atomi è quello di fornire loro energia. Come? In qualsiasi modo: ad esempio scaldando il materiale in cui sono contenuti strofinandolo con un panno, oppure inviando su di essi della luce o altre radiazioni. Quello che avviene allora è che gli elettroni esterni (che sono quelli meno legati al nucleo) possono scalare le varie orbite verso l'esterno fino a liberarsi. L'atomo in questo modo si è trasformato in uno ione positivo poiché ha perduto un elettrone.
E il nucleo?
Le reazioni che avvengono nel nucleo sono di altro genere, si chiamano reazioni nucleari. Prima di capire di cosa si tratta ci sono altre domande a cui rispondere. Ad esempio: se il nucleo è composto solo di particelle elettricamente positive, le quali quindi si respingono tra loro, come fa a restare compatto? Cosa impedisce ai protoni di allontanarsi e andarsene a spasso per lo spazio vuoto dell'atomo? E' quello che analizzeremo la prossima volta.

*Ernest Rutherford, Primo Barone Rutherford di Nelson OM - PC - FRS (Brightwater, 30 agosto 1871 – Cambridge, 19 ottobre 1937), è stato un chimico e fisico neozelandese, noto come il padre della fisica nucleare e fu il precursore della teoria orbitale dell'atomo, basandosi sulla scoperta dello scattering Rutherford nel suo esperimento della lamina d'oro. Vinse il Premio Nobel per la Chimica nel 1908.