Guardati intorno: la sedia, il tavolo, il tuo stesso corpo sembrano oggetti solidi e pieni. Eppure la fisica ci dice una cosa sorprendente: la materia è quasi tutta vuoto. Se potessimo eliminare lo spazio vuoto dentro gli atomi, l’intera umanità entrerebbe in un volume grande più o meno come una zolletta di zucchero. Come è possibile? Scopriamolo.
Di cosa è fatta la materia
Tutto ciò che ci circonda è composto da atomi, i mattoni fondamentali della materia. Ogni atomo è formato da un nucleo centrale, che contiene protoni e neutroni, attorno al quale si muovono gli elettroni. Il nucleo concentra quasi tutta la massa dell’atomo, mentre gli elettroni, leggerissimi, occupano lo spazio circostante.
Il punto sorprendente è la questione delle dimensioni. Il nucleo è incredibilmente piccolo rispetto all’atomo intero: tra il nucleo e gli elettroni c’è una distanza enorme, in proporzione, e in mezzo non c’è praticamente nulla.
Il celebre paragone dello stadio
Per rendere l’idea, gli scienziati usano spesso un’immagine efficace. Immaginiamo di ingrandire un atomo fino a fargli raggiungere le dimensioni di un grande stadio. In questa scala, il nucleo, che pure contiene quasi tutta la massa, sarebbe grande più o meno come una pallina da tennis o un pisello posto al centro del campo. Gli elettroni sarebbero granelli di polvere che sfrecciano lungo gli spalti più lontani.
Tra la pallina al centro e i granelli sugli spalti? Vuoto. Tantissimo vuoto. Questo significa che la stragrande maggioranza del volume di ogni atomo, e quindi di ogni oggetto, è spazio apparentemente vuoto.
Quanto vuoto, in numeri
Le proporzioni sono da capogiro. Se prendiamo il diametro di un atomo e lo confrontiamo con quello del suo nucleo, scopriamo che il nucleo è circa centomila volte più piccolo. Tradotto in volume, il nucleo occupa una frazione infinitesima dello spazio atomico: si parla comunemente del 99,9999 per cento e oltre di “vuoto”.
Da qui nasce l’affermazione più spettacolare: se comprimessimo tutta la materia degli esseri umani eliminando lo spazio vuoto tra le particelle, l’intera popolazione mondiale occuperebbe un volume paragonabile a quello di una zolletta di zucchero o poco più. La massa resterebbe la stessa, ma il volume crollerebbe in modo impressionante.
Ma allora perché gli oggetti sembrano solidi?
Se gli atomi sono quasi vuoti, perché non attraversiamo i muri e non sprofondiamo attraverso il pavimento? La risposta sta nelle forze, non nella “pienezza” della materia.
La spinta degli elettroni
Gli elettroni sono cariche negative, e cariche dello stesso segno si respingono. Quando la tua mano si avvicina a un tavolo, gli elettroni della tua pelle e quelli del legno si respingono con forza, impedendo ai due oggetti di compenetrarsi. È questa repulsione elettromagnetica a darci la sensazione di solidità e di contatto.
Le regole della meccanica quantistica
C’è di più. La fisica quantistica stabilisce che gli elettroni non possono ammassarsi tutti nello stesso stato: esiste un principio, detto di esclusione, che li tiene “distanziati”. Questo contribuisce a rendere la materia stabile e resistente alla compressione. In altre parole, ciò che chiamiamo solidità è il risultato di leggi fisiche invisibili, non del fatto che lo spazio sia davvero riempito.
Una scoperta che ha cambiato la fisica
L’idea che l’atomo fosse quasi tutto vuoto emerse all’inizio del Novecento, grazie a esperimenti in cui si “sparavano” particelle contro sottili lamine di metallo. La maggior parte delle particelle le attraversava indisturbata, come se incontrasse spazio libero; solo poche venivano deviate con forza, segno di aver colpito un nucleo minuscolo e denso. Fu la prova che la massa era concentrata in un punto piccolissimo, circondato da vuoto.
Perché è affascinante saperlo
Rendersi conto che la materia è quasi tutta vuoto cambia il modo di guardare il mondo. Gli oggetti che tocchiamo, noi stessi, siamo strutture tenute insieme da forze e da regole quantistiche più che da “sostanza piena”. È uno di quei fatti che sembrano impossibili e invece descrivono con precisione la realtà, ricordandoci quanto sia straordinario l’universo su scala atomica.
Se ti incuriosiscono i fenomeni in cui la fisica ribalta il senso comune, ti piacerà scoprire anche perché l’oro è giallo, un colore che dipende addirittura dalla relatività. Per una panoramica scientifica sulla struttura dell’atomo puoi consultare la voce “atom” dell’Enciclopedia Britannica.
Domande frequenti
È davvero vero che l’atomo è quasi tutto vuoto?
Sì. Il nucleo, che contiene quasi tutta la massa, è circa centomila volte più piccolo dell’atomo. La gran parte del volume atomico è spazio in cui si muovono gli elettroni.
Se la materia è vuota, perché sembra solida?
Per via delle forze elettromagnetiche: gli elettroni con la stessa carica si respingono, impedendo agli oggetti di compenetrarsi. È questo a darci la sensazione di solidità.
È vero che l’umanità entrerebbe in una zolletta di zucchero?
È un’approssimazione usata per rendere l’idea: eliminando lo spazio vuoto tra le particelle, il volume di tutti gli esseri umani si ridurrebbe a qualcosa di paragonabile a una zolletta, pur mantenendo la stessa massa.
Dove si trova la massa dell’atomo?
Quasi tutta nel nucleo, dove risiedono protoni e neutroni. Gli elettroni, che occupano lo spazio circostante, hanno una massa piccolissima in confronto.
Come si è scoperto che l’atomo è quasi vuoto?
Attraverso esperimenti in cui si lanciavano particelle contro sottili lamine metalliche: quasi tutte le attraversavano, dimostrando che la materia era concentrata in un nucleo minuscolo circondato da vuoto.
Il vuoto dell’atomo è completamente vuoto?
Non nel senso comune: è attraversato dagli elettroni e da campi elettromagnetici. Non contiene però materia “solida”, ed è per questo che si parla di spazio prevalentemente vuoto.