diffusione di Rutherford mappa concettuale

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La diffusione di Rutherford indica l'esperimento del 1909-1911 in cui particelle alfa colpirono una sottile lamina d'oro. La maggior parte le attraversava senza deviazioni, ma alcune rimbalzavano: prova che l'atomo ha un nucleo piccolo, denso e carico positivamente. Questo risultato confutò il modello di Thomson e portò al modello planetario, base per i successivi sviluppi della fisica atomica.

Come funzionava l'esperimento
Nel celebre esperimento, Geiger e Marsden, sotto la direzione di Rutherford, bombardarono una lamina d'oro estremamente sottile con particelle alfa emesse da un materiale radioattivo. Attorno alla lamina era posto uno schermo di solfuro di zinco, che emette un lampo di luce quando viene colpito da una particella alfa: gli osservatori contavano i lampi al microscopio, spesso in condizioni di buio totale. La maggior parte delle particelle attraversava la lamina con deviazioni minime, ma una piccola frazione veniva deviata ad angoli molto ampi, e alcune persino all'indietro. Rutherford descrisse questo risultato come sorprendente, perché contraddiceva l'attesa del modello di Thomson, in cui la carica positiva era distribuita uniformemente.

Perché il risultato fu rivoluzionario
Secondo il modello di Thomson, la carica positiva era diffusa in tutta la sfera atomica e le particelle alfa, abbastanza energetiche, avrebbero dovuto attraversarla con deviazioni al massimo piccole. Le deviazioni ad angoli ampi richiedevano invece una forza elettrica intensa, generabile solo da una carica positiva concentrata in una regione molto piccola. Da questi dati Rutherford dedusse che quasi tutta la massa e tutta la carica positiva dell'atomo si trovano in un nucleo minuscule, mentre l'atomo è per lo più vuoto. Questo modello nucleare spiega sia la trasparenza della materia sia i rari rimbalzi, e divenne il punto di partenza per il modello di Bohr e per la fisica nucleare moderna.

La fisica della deviazione
La traiettoria di una particella alfa è determinata dalla repulsione coulombiana tra la sua carica positiva e quella del nucleo d'oro. Più la particella passa vicino al nucleo, maggiore è la forza e più ampio è l'angolo di deviazione; solo traiettorie quasi centrali producono rimbalzi all'indietro. Rutherford derivò una formula che lega il numero di particelle deviate a un dato angolo con l'energia e la carica del nucleo, e i dati sperimentali di Geiger e Marsden la confermarono. È importante notare che l'interazione è descritta correttamente dalla fisica classica per questi angoli, ma il modello atomico complessivo richiese poi la meccanica quantistica per spiegare stabilità e spettri.

Limiti ed eredità del modello
Il modello nucleare di Rutherford lasciava aperti problemi importanti. Secondo l'elettromagnetismo classico, un elettrone in orbita attorno al nucleo dovrebbe emettere radiazione continua, perdere energia e cadere sul nucleo in tempi brevi: gli atomi invece sono stabili. Inoltre il modello non spiegava gli spettri di emissione discreti degli elementi. Bohr nel 1913 introdusse orbite quantizzate per risolvere questi problemi, e in seguito la meccanica quantistica offrì una descrizione più completa. L'eredità dell'esperimento resta however fondamentale: la tecnica di bombardamento con particelle cariche è ancora usata, ad esempio nella spettroscopia Rutherford retrodiffusa per analizzare la composizione dei materiali.