Pur dimostrata l’esistenza del nucleo, restava il grande enigma: il nucleo come e’ fatto? Il quadro che i fisici fornivano del nucleo dell’atomo piu’ semplice – l’idrogeno – pareva sensato; ma gli atomi piu’ pesanti dell’idrogeno presentavano una difficolta’ fondamentale. L’atomo dell’idrogeno e’ il piu’ leggero di tutti e infatti noi prendiamo la sua massa quale unita’ – o piu’ precisamente, il suo numero di massa e’ l’unita’. Al suo nucleo, particolarmente semplice, si diede un nome speciale, il protone. Il protone doveva avere una carica positiva di unita’ uno, perche’ si sapeva benissimo che l’atomo dell’idrogeno contiene un elettrone soltanto.
I guai cominciarono subito, con l’atomo appena piu’ pesante dell’idrogeno, quello dell’elio. Si sapeva che quest’atomo contiene due elettroni: ora se, il peso fosse stato doppio di quello dell’idrogeno, le cose sarebbero state semplici, perche’ cio’ avrebbe ovviamente significato che il suo nucleo consisteva di due protoni. Incevece, l’atomo di elio, anziche’ peso doppio, ha peso quadruplo rispetto a quello dell’idrogeno. Il suo numero di massa, in altre parole e’ quattro: eppure per bilanciare i suoi due elettroni basta una carica nucleare di due unita’.
Fig. 4 Massa e carica -
cioe' il numero delle particelle nucleari e il numero dei
protoni - sono eguali soltanto nell'atomo di idogeno, che ha
un protone e un elettrone, ma nessun neutrone. In tutti gli
altri elementi la massa e' superiore alla carica, e molto
superiore negli atomi pesanti. La figura vuol dare un'idea
della variazione di massa, carica e numero di elettroni nei
diversi elementi.
Ne’ meglio andavano le cose, come mostra la figura (4), per gli atomi ancor piu’ pesanti. A somiglianza dell’elio, i loro nuclei pesano circa il doppio di quel che dovrebbero pesare se fossero formati semplicemnte di protoni in numero bastevole a bilanciare il numero noto degli elettroni. Coi nuclei pesantissimi la situazione peggiora: per esempio il peso dell’uranio e’ circa due volte e mezzo maggiore di quel che dovrebbe essere se il suo nucleo fosse formato di protoni soltanto, cioe’ 92. Inoltre, in taluni casi, atomi diversi dello stesso elemento avevano differente peso. Cosė U235 e U238 sono chimicamente indistinguibili – uranio nell’uno e nell’altro caso, con 92 elettroni – mentre il loro nuemro di massa differisce di tre unita’, 235 il primo, 238 il secondo. Se i nuclei fossero formati di elettroni soltanto, non ci sarebbe modo di spiegare questi isotopi.
Si tento’ di spegare queste anomalie presupponendo entro il nucleo la presenza degli elettroni. Gli elettroni, di diceva, bilanciavano la carica positiva dei protoni, rendendo possibile quel peso in piu’ senza aumentare la carica positiva risultante sul nucleo. Dapprima parve che questa possibilita’ fosse quella buona, giacche’ avrebbe spiegato non solamente il peso in piu’, ma anche l’esistenza di isotopi. Ma quando si giunse a conoscere meglio le proprieta’ fondamentali dei protoni e degli elettroni, si comprese che gli elettroni non potevano risiedere nel minuscolo nucleo. Facile darne la ragione: gli elettroni sono troppo grossi per entrare nel nucleo. Difficile semmai intendere appieno il significato di questa semplice asserzione. Piu’ avanti, grazie a un drammatico intervento dei neutroni, vedremo che ogni particella possiede anche una qualita’ d’onda: cioe’, ciascuna particella agisce come un’onda, con una lunghezza d’onda determinata dalla sua velocita’ (all’onda piu’ corta corrisponde maggiore velocita’). Perche’ un elettrone si trovi "entro" il nucleo, occorre che la sua lunghezza d’onda sia inferiore alla grandezza del nucleo, e che quindi la sua velocita’ sia molto alta. Sfortunatamente (per la teoria!) l’energia dell’elettrone dovrebbe essere enorme, pari a un potenziale di duecento milioni di volts. Ora, energie di questa grandezza sono impossibili entro un nucleo: constatazione fondamentale che esclude l’ipotesi secondo la quale gli elettroni sarebbero interni al nucleo.