Le prime tappe della teoria atomica e la nascita della meccanica quantistica

Attraverso un tortuoso percorso, costellato da inaspettate e clamorose scoperte sperimentali, come quella dei raggi X di Röntgen (1895), e da geniali ricerche teoriche, agli inizi del nostro secolo la fisica era giunta a provare la verità dell’antichissima ipotesi atomistica, cioè l’esistenza in qualunque sostanza di particelle infinitamente piccole, gli atomi, che via via si rivelarono strutture sempre più complesse. Essi andavano pensati come aggregati di particelle che interagivano tra loro secondo leggi completamente nuove. Il comportamento, infatti, delle varie particelle componenti l’edificio atomico contraddiceva alcuni postulati circa le più semplici caratteristiche del moto dei corpi.

Già nel 1913 il fisico danese Niels Bohr aveva dimostrato che se si vuole dare una rappresentazione modellistica degli atomi non vale più il principio della "continuità" del movimento. Infatti, nel modello di Bohr, gli elettroni ruotano attorno al nucleo come tanti piccoli pianeti attorno a un piccolo Sole, ma il passaggio di un elettrone da un orbita all’altra, può avvenire solo con una transizione discreta (quantizzazione delle orbite di Bohr).

Di fronte a ciò, il giovanissimo e geniale fisico tedesco Werner Heisenberg a partire dal 1925 propose l’abbandono di ogni raffigurazione modellistica a favore di una fisica che impiega l’applicazione diretta delle equazioni matematiche ai dati empirici. Venne messa a punto una nuova teoria del movimento, una nuova meccanica adatta alla trattazione delle particelle atomiche, detta "meccanica quantistica".

Essa si presentò agli inizi sotto due aspetti in apparenza diversi, ideati indipendentemente e quasi contemporaneamente l’uno da De Broglie (meccanica ondulatoria) e l’altro da Heisenberg (meccanica delle matrici), i quali conducevano risultati identici nei problemi in cui venivano applicati. La meccanica delle matrici, elaborata da Born e Dirac, associa a ogni grandezza fisica una matrice, per cui le equazioni del movimento delle particelle risultano in forma matriciale. La meccanica ondulatoria è fondata sulle ricerche di De Broglie, che attribuì alla materia una carattere ondulatorio. Schrödinger in seguito dimostrò che i due metodi erano matematicamente equivalenti e complementari.

L’atomo aveva così sconvolto molte tradizioni filosofiche.

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