Scienziati precursori e rilancio della teoria atomica

Tra i più fecondi settori di ricerca nel grande sviluppo scientifico avvenuto tra la fine del ‘700 e l’inizio dell’800 - in parallelo alla rivoluzione industriale - vi fu quello legato alla teoria atomica (già presente nel pensiero degli antichi atomisti, Leucippo, Democrito, Epicuro, e nella filosofia seicentesca di Gassendi) e quello legato alle leggi dei gas (già studiate nel ‘600 da Boyle in collaborazione con Hooke).

Abbiamo già visto come il chimico francese Joseph-Louis Proust (1754-1826) abbia elaborato nel 1799 l’importante Legge delle Proporzioni Definite secondo cui gli elementi chimici si legano nei composti sempre nelle stesse proporzioni, impiegando masse definite e costanti. Questa legge sperimentale è dovuta al fatto che alla base di ogni composto c’è sempre la stessa aggregazione elementare di atomi, successivamente chiamata “molecola”. Ad esempio la molecola di acqua è sempre formata da due atomi di idrogeno (H) ed una di ossigeno (O), da cui: H₂O.

Questo modo di vedere le cose fu adottato coerentemente dall’intelligente chimico, fisico e meteorologo inglese John Dalton (1766-1844), di modeste origini come molti ricercatori britannici (il padre era un tessitore), ma poi divenuto membro della Royal Society.

Dalton, che operò sempre nell’Istituto di Fisica e Matematica di Manchester, che ospiterà in seguito molti altri valenti ricercatori, impostò una coerente teoria atomica basata sul principio secondo cui gli atomi, sempre uguali per ciascun elemento chimico, ed indistruttibili, si combinano nei composti secondo numeri interi semplici, come attestato dalla legge elaborata da Proust e dalle misure esatte fatte da Lavoisier con bilance di precisione.

Questo principio fu confermato dalla Legge delle proporzioni multiple, elaborata dallo stesso Dalton: quando una stessa massa di un elemento si combina con diverse masse di un altro elemento, queste masse stanno tra loro in un rapporto esprimibile con numeri semplici. Ad esempio una stessa massa di Azoto (N) può combinarsi con 5 diverse masse di Ossigeno (O) in cinque diversi composti, detti “ossidi” di azoto (N₂O, NO, NO₂, N₂O_5, NO₃ ) in cui le masse di ossigeno stanno tra loro nel rapporto: 1-2-4-5-6. Questo dipende dal fatto che gli atomi di Azoto possono legarsi a quelli di Ossigeno in 5 modi diversi.

Dalton elaborò anche una legge sui miscugli gassosi secondo cui la pressione totale del miscuglio è pari alla somma delle pressioni parziali dei vari gas (ognuna delle quali si sviluppa indipendentemente dalle altre come già sperimentato da Volta). Inoltre sostenne giustamente che la pioggia è dovuta ad un abbassamento di temperatura che provoca la condensazione dei vapori d’acqua.

Anche l’importante chimico e fisico francese Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850), professore alla Ecole Polytechnique, si interessò alle sostanze gassose, determinando la composizione esatta dell’atmosfera, ed elaborando un’importante legge chimico-fisica del 1808 (“prima legge di Gay-Lussac”) che confermava le teorie atomiche: “quando due sostanze gassose reagiscono, i volumi dei reagenti e dei prodotti stanno in rapporti espressi da numeri semplici”.

La spiegazione di questo risultato sperimentale risiede innanzitutto nel fatto che uguali volumi di gas contengono lo stesso numero di particelle gassose sciolte (come ipotizzato 3 anni dopo dal geniale chimico-fisico piemontese Amedeo Avogadro, di cui scriveremo subito dopo), sia perché queste particelle elementari si combinano sempre in proporzioni semplici e costanti.

Tuttavia, benché la legge elaborata da Gay-Lussac sia valida, lo scienziato francese non riusciva a far quadrare i suoi conti sulle masse ed i volumi coinvolti perché era convinto – erroneamente – che le particelle gassose elementari fossero atomi. Anche Dalton era convinto di questa ipotesi errata.

In realtà ciò è vero per i gas “nobili” (come Elio ed Argo), che si presentano in natura allo stato atomico, ma non è vero per altri gas comuni, come Ossigeno, Idrogeno ed Azoto, in cui gli atomi si accoppiano naturalmente a due per volta, formando una “molecola”. Anche questo fatto fu chiarito dal geniale chimico-fisico piemontese Avogadro, di cui parleremo subito dopo.

Gay-Lussac è noto soprattutto per aver elaborato una seconda legge dei gas che porta il suo nome: “a volume costante la pressione di un gas cresce proporzionalmente alla temperatura” (e precisamente per l’aumento di ogni grado la pressione aumenta di una quantità pari ad 1/273 della pressione a 0°: P = P₀ + 1/273 x P₀ x T). Questa legge, insieme a quella di Boyle-Mariotte di cui già scrivemmo al N. 48, definisce completamente il comportamento dei gas.

Gay-Lussac individuò anche alcune variazioni del campo magnetico terrestre e fu incaricato da Napoleone di realizzare una batteria di pile sull’esempio di quella già realizzata in Inghilterra da Davy.

Amedeo Avogadro (1776-1856) nacque a Biella da una famiglia nobile. La sua fama è legata alla legge pubblicata nel 1811 che porta il suo nome e che già abbiamo citato in precedenza: “uguali volumi di gas nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole”. Il grande scienziato italiano ipotizzava anche – giustamente – che le particelle elementari potessero presentarsi sia in forma di atomi semplici che di molecole complesse (ovvero gruppi di atomi).

Avendo aderito ai moti rivoluzionari del 1821, Avogrado fu allontanato dall’insegnamento, ma poi riammesso alla sua cattedra all’Università di Torino dopo la svolta “liberale” del re Carlo Alberto.

Oggi il nome di Avogrado è ricordato nel Numero di Avogrado (poi ridefinito “Costante” nel 1971) ben noto a tutti gli studenti di fisica, chimica, ed ingegneria, che è un enorme numero di 24 cifre (6,022 x 10²³) che indica il numero di atomi o molecole contenuti nella massa misurata in grammi di una sostanza corrispondente al rispettivo peso atomico o al peso molecolare. Il peso atomico o molecolare indica quante volte la sostanza è più pesante dell’Idrogeno, che è l’elemento più leggero (ad esempio il peso atomico dell’Idrogeno è 1, quello dell’Uranio 235).

La teoria atomica continuò a suscitare discussioni per tutto l’800 (ad esempio fu contestata da Mach), ma poi si è definitivamente imposta all’inizio del ‘900 con il famoso modello atomico di Rutheford-Bohr.

Vincenzo Brandi