Dall'atomo al nucleo: quanto può essere piccolo qualcosa?

Un atomo è quasi tutto spazio vuoto intorno a un minuscolo centro. Per parlare di questo centro ci serve una nuova unità.

• Un atomo tipico misura circa 10⁻¹⁰ m. Sono 0,1 nanometri, o un ångström.
• Un nucleo misura circa tra 10⁻¹⁵ m e 10⁻¹⁴ m. L'unità per questa scala è il femtometro (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Un singolo protone misura poco meno di 2 fm, mentre un nucleo grande come quello del piombo misura circa 14 fm.

Quindi il nucleo è più piccolo dell'atomo di un fattore di circa 10⁴ a 10⁵. In altre parole, il rapporto tra le dimensioni del nucleo e quelle dell'atomo è circa 10⁻⁵. Se ingrandissi un nucleo fino alle dimensioni di un pisello (circa 1 cm), il suo atomo avrebbe un diametro compreso tra 100 m e 1 km. Sarebbe una distanza che va da un campo da calcio a una piccola città, con un pisello al centro.

Quasi tutta la massa si trova nel nucleo. Un protone e un neutrone pesano ciascuno circa 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Un elettrone è circa 1.836 volte più leggero. Considerando l'intero atomo, il nucleo contiene più del 99,9 percento della massa, anche se occupa solo circa 10⁻¹⁵ del volume (un milionesimo di un miliardesimo).

Questo rende la materia nucleare estremamente densa: circa 2 × 10¹⁷ kg per metro cubo. Un volume pari a un cubo di zucchero (1 cm³) peserebbe circa 200 milioni di tonnellate. Non incontrerai mai una quantità simile sulla Terra, ma il nucleo all'interno di ogni atomo è fatto di questa materia. (Le stelle di neutroni sono la versione su grande scala di questa materia.)

Come facciamo a saperlo? Nel 1909, Hans Geiger ed Ernest Marsden, lavorando nel laboratorio di Ernest Rutherford, lanciarono particelle alfa (nuclei di elio veloci e con carica positiva) contro una sottilissima lamina d'oro. Secondo l'immagine più diffusa all'epoca, il modello del "budino con l'uvetta" di J. J. Thomson distribuiva la carica positiva in tutto l'atomo, quindi ogni particella alfa avrebbe dovuto attraversarlo con solo una piccola deviazione.

Invece osservarono che:

• Quasi tutte le particelle alfa passarono dritte.
• Una frazione piccolissima fu deviata di grandi angoli, e alcune tornarono quasi direttamente indietro.

Nel 1911 Rutherford capì che cosa significava: quasi tutta la carica positiva e la massa dovevano trovarsi in un nucleo piccolo e denso, mentre il resto dell'atomo era vuoto. In seguito Rutherford descrisse un grande rimbalzo all'indietro come qualcosa di quasi incredibile quanto sparare un grosso proiettile contro un foglio di carta velina e vederselo tornare indietro. Chiamò il nucleo nucleo.