Storia dell’esperimento Stern-Gerlach
Nel 1922 la fisica è in pieno fermento. Sempre più esperimenti mettono in evidenza la natura quantistica della realtà. Una delle ultime grandi novità riguarda il modello teorico con cui si descrivono gli atomi.
Pochi anni prima a Cambridge, Rutherford ha proposto un modello classico per l’atomo, il quale però ha diversi problemi. In particolare esso prevede che gli atomi eccitati, diseccitandosi, emettano radiazione elettromagnetica a ogni frequenza, in modo continuo. Sperimentalmente però quello che si osserva è che gli atomi emettono radiazione solo ad alcune precise frequenze. Hanno, si dice, uno spettro a righe.
Ancora più grande è il problema della stabilità dell’atomo in un modello classico. Per Rutherford gli elettroni orbitano attorno al nucleo, e ogni orbita è possibile. Un oggetto elettricamente carico, quale è l’elettrone, quando viene accelerato, come nel caso di un elettrone in orbita, emette radiazioni elettromagnetiche. Per emettere radiazioni deve spendere energia.
Piano piano la perdita di energia lo fa finire su orbite sempre più piccole, fino a collassare sul nucleo. Il tempo impiegato si può calcolare, e risulta essere meno di un nanosecondo. Il modello di Rutherford, dunque, prevede un mondo in cui gli atomi, che formano tutte le cose attorno a noi, non durano più di un nanosecondo. La fisica ha un problema grosso da risolvere.
Niels Bohr risolve il problema proponendo un modello di atomo in cui gli elettroni possono orbitare solo su alcune specifiche orbite. Passando da un’orbita all’altra emettono radiazione elettromagnetica con una frequenza corrispondente all’energia necessaria a saltare da un’orbita all’altra. Così il risultato è che le orbite sono quantizzate, l’atomo non può decadere arbitrariamente verso il nucleo. Allo stesso tempo lo spettro di emissione è a righe, essendo anche le frequenze quantizzate, in quanto sono appunto associate alle sole specifiche orbite permesse.
La soluzione di Bohr è semplice e geniale, ma basata su una assunzione totalmente ad hoc, e al tempo ingiustificata. Non è chiaro per quale motivo gli elettroni negli atomi dovrebbero obbedire a queste regole. Alcuni fisici gioiscono di fronte a uno dei primi grandi successi della fisica dei quanti. Molti altri, in assenza di una spiegazione più profonda, non accettano l’idea della quantizzazione.
Otto Stern, allievo di Einstein, ricercatore al famoso Istituto di Fisica Teorica di Francoforte, guidato al tempo da Max Born, pensa siano tutte sciocchezze. Insieme al suo caro amico Max von Laue commenta: «Dovesse, alla fine di tutto, rivelarsi corretta questa assurdità proposta da Bohr, abbandonerò la fisica». Inizia dunque a immaginarsi un modo di testare il modello atomico di Bohr.
Una delle principali conseguenze del modello atomico di Bohr, in termini di grandezze osservabili sperimentalmente, è che il momento angolare degli elettroni in un atomo risulta quantizzato. Da tale momento angolare dipende direttamente il momento magnetico dell’elettrone. Stern dunque si aspetta che il modello atomico di Bohr preveda conseguenze osservabili sperimentalmente per atomi soggetti a campi magnetici.
Nello specifico, Stern immagina di spedire un raggio di atomi attraverso un magnete capace di produrre un campo magnetico non omogeneo. Usciti dal campo magnetico gli atomi risultano deflessi, e finiscono su un rivelatore. Se gli atomi seguono il modello di Bohr, su tale rivelatore si avranno dei punti precisamente separati, di uguale misura. Se invece gli atomi sono oggetti classici ci aspettiamo di vedere ogni deflessione possibile, e di osservare dunque una distribuzione continua.
La realizzazione pratica dell’esperimento è complessa, e Stern va incontro alle sue prime difficoltà. Realizza dunque di aver bisogno dell’aiuto di, con parole sue, un vero fisico sperimentale.
Walter Gerlach si fa un nome da fisico sperimentale già dai tempi del dottorato, sotto la guida di Paschen (noto tra le altre cose proprio per aver osservato gli spettri a righe degli atomi, di cui abbiamo parlato poco sopra). Stern lo conosce per le sue misure sulla pressione di radiazione, Gerlach è il primo nella storia a misurarla correttamente, oltre che per i suoi numerosi esperimenti di spettroscopia, in particolare nel campo delle proprietà magnetiche della materia. Così Stern si presenta in laboratorio da Gerlach e gli chiede: Sai cos’è la quantizzazione del momento angolare?
La collaborazione tra i due è molto fruttuosa. Le grandi capacità in laboratorio di Gerlach si sposano perfettamente con le idee innovative di Stern. L’esperimento che realizzano insieme entra nella storia della fisica, non solo per i suoi risultati, ma anche per il livello di precisione di misura tenuto da Gerlach, che stabilisce un nuovo standard nel mondo della fisica sperimentale.
Le difficoltà però sono diverse. In particolare l’esperimento richiede temperature molto alte, e che sia mantenuto il vuoto per diverse ore. Nei primi anni Venti si trattava di fare cose mai fatte prima. Lo sforzo richiesto è enorme. Riferendosi alle costanti modifiche necessarie per migliorare l’apparato, uno studente di Gerlach parla di un lavoro da Sisifo. Tutte queste innovazioni tecniche peraltro richiedono anche grossi investimenti, non facili da ottenere ai tempi della repubblica di Weimar. Diversi istituti di ricerca danno un contributo finanziario, e una grossa parte arriva direttamente da Einstein, il quale dà lezioni a pagamento sulla relatività per sostenere l’esperimento.
Stern e Gerlach fanno due grossi tentativi diversi nel 1921, entrambi fallimentari. A febbraio del 1922 Gerlach apporta delle ultime modifiche all’apparato, e finalmente ottengono dei risultati. Stern in quel momento è via, a Rostock, e riceve un telegramma dal laboratorio che recita: Bohr ha ragione dopo tutto. L’esperimento ha rilevato una distribuzione in accordo con quella prevista dalla teoria quantistica.
I rapporti tra i due fisici si rompono qualche anno più tardi, quando Stern, ebreo, viene cacciato dalla Germania nazista. Gerlach al contrario diventa un esponente importante del nazismo, guidando fino alla fine, assieme a Heisenberg, gli sforzi per la costruzione di una bomba atomica tedesca. Oggi l’esperimento di Stern-Gerlach è ricordato non solo per aver dimostrato la quantizzazione del momento angolare, ma anche per aver dimostrato l’esistenza di un momento angolare intrinseco, il cosiddetto spin.
I risultati dell’esperimento infatti non si possono interpretare solamente sulla base della quantizzazione del momento angolare com’era noto al tempo. Vi è una componente aggiuntiva al momento angolare dell’elettrone, data appunto dal momento angolare di spin. Tale momento angolare inizialmente viene interpretato come un momento angolare dovuto alle rotazioni dell’elettrone su sé stesso. P
oco dopo arriva Pauli, un brillante fisico teorico, e dimostra che qualsiasi rotazione di questo genere sarebbe in contraddizione con la relatività. Ci vorrà ancora qualche anno perché, con la teoria quantistica dei campi, si arrivi a capire l’origine dello spin, una componente del momento angolare di natura puramente geometrica.
L’esperimento di Stern e Gerlach rappresenta per molti fisici l’ultima pietra sotto cui seppellire la fisica classica. Dopo vent’anni di crisi, di esperimenti rivoluzionari spiegabili solo con misteriose regole di quantizzazione, è chiara la necessità di una teoria quantistica che dia un motivo a queste regole. Diversi fisici, molti dei quali giovanissimi, irrompono nel mondo della scienza con le loro teorie. Dirac, Heisenberg, Schrödinger, e così via.
Vent’anni di confusione improvvisamente vedono il loro culmine nella nascita di una nuova teoria fisica, grazie alla quale si riescono a studiare i componenti fondamentali della materia, ma anche fenomeni quali i comportamenti dei metalli, dei semiconduttori da cui poi nasce tutta l’elettronica, e tanto altro. È la rivoluzione della meccanica quantistica.
