In questa seconda parte, entriamo nel cuore dell’argomento, vedremo come lo spin obbliga la materia ad essere ciò che è! Per leggere la prima parte clicca qui.
La meccanica quantistica descrive il mondo microscopico attraverso il Modello Standard
Bohr padre dell’atomo moderno
Nel 1922 Niels Bohr aveva delineato su base puramente intuitiva che la struttura della tavola periodica degli elementi (nota come tavola periodica di Mendeleev) fosse dovuta ai livelli energetici, quindi, alla disposizione degli elettroni in gusci energetici ben precisi (classicamente chiamati orbitali atomici), la domanda cruciale che si delineava ora era questa: perché gli elettroni di un atomo non occupano tutti il livello energetico minore? Bohr si era accorto che i gusci si riempivano in modo quantizzato, cioè discreto, progressivamente a scalini, senza spazi intermedi, andando a occupare man mano livelli sempre superiori, ma con valori di energia via via più bassi (orbitali di tipo s,p,d,f, ecc), fino all’ultimo livello, che definì elettroni di valenza, che non completavano l’ultimo livello.
Quantizzazione della materia atomica
Il gruppo I infatti, quello dei metalli alcalini (H, Li, Na…), hanno un elettrone di valenza, mentre gli alogeni, gli elementi del penultimo gruppo, il VII (F, Cl, Br…), hanno un elettrone in meno dei gas nobili per completare il loro guscio, cioè quella che viene comunemente chiamata regola dell’ottetto. Pauli si accorge che per funzionare questo modello, ha bisogno di una regola che impedisca ad ogni elettrone di occupare qualsiasi livello energetico. Quindi dopo la definizione dei primi 3 numeri quantici cioè con la scoperta della disposizione degli elettroni in dimensione, forma e distribuzione spaziale,ℏ si arriva a definire quasi tutto quello che c’era da sapere in quel momento sulla struttura energetica dell’elettrone, successivamente con la scoperta del quarto numero quantico, basato sul Principio di esclusione di Pauli, si completa lo studio degli orbitali e il comportamento degli elettroni.
La differenza la fa il 4° numero quantico: lo spin
Due elettroni che hanno i prime tre numeri quantici uguali devono necessariamente avere il quarto numero quantico diverso. Questo ultimo numero definito “momento magnetico di spin”, può essere classicamente immaginabile per semplificazione intuitiva, come un comportamento rotatorio a trottolina orientata. Lo spin è una caratteristica di tutte le particelle elementari, degli atomi, e dei barioni (parti di nucleo atomico).
Rappresentazione dello spin come trottola magnetica
Gian Carlo Ghirardi: sono come minuscole trottole che interagiscono come minuscoli aghi magnetici
Lo spin dell’elettrone è quindi una proprietà quantistica intrinseca, un momento angolare magnetico innato, classicamente come una trottola-calamita orientata (assimilabile ad una rotazione con precessione del polo) che gli elettroni possiedono per natura. È una caratteristica fondamentale, simile alla carica elettrica o alla gravità, che non è correlabile al movimento di rotazione in senso classico (momento angolare: raggio vettore x vettore velocità), tanto più che il formalismo matematico descrive l’elettrone come un punto adimensionale.
spin up, spin down
Lo spin degli elettroni può essere orientato in due modi opposti, comunemente indicati come “spin su” o “spin giù”, corrispondenti a due valori del numero quantico di spin: +½ℏ di e -½ℏ. Esiste una immagine simpatica e pratica utilizzata in fisica per immaginare in senso classico l’orientamento dello spin in base alle coordinate spaziali x,y,z ed è la “regola della mano destra”. Se le dita della mano destra sono chiuse a pugno con il pollice rivolto verso l’altro ruota in senso antiorario, lo spin è “su” se si ruota poi la mano di 180° la rotazione delle dita sarebbe inversa e il pollice punta in basso e si ha la rappresentazione dello spin “giù”.
La natura microscopica usa 4 numeri per organizzarsi
Forma spaziale degli orbitali elettronici definiti dai primi 3 numeri quantici: n, l, m
Ecco perché ad esempio sul primo livello energetico degli orbitali invece di esserci un solo elettrone dato che i primi tre numeri quantici sono 1-0-0 ne abbiamo 2 cioè uno con numero quantico 1-0-0 (e spin +½ℏ) e un secondo elettrone che ha numero quantico 1-0-0 (e spin -½ℏ), nel secondo livello energetico in cui è prevista la presenza di 4 combinazioni per i primi 3 numeri quantici, abbiamo invece 8 elettroni, cioè il doppio, e così via, ogni livello quindi possiede un numero di elettroni doppio a quello previsto dai primi tre numeri proprio per la presenza del quarto numero quantico magnetico di spin. Tale configurazione elettronica era già stata osservata negli spettri di emissione dei metalli alcalino-terrosi, in cui le righe di assorbimento non si presentavano singolarmente ma in doppietti, inspiegabili, se non con la teorizzazione dello spin dell’elettrone.
Gesù Luce del Mondo
Ritornando alla nostra riflessione tra scienza e fede, nel Vangelo di Giovanni che abbiamo sopra letto, non c’è nessun modo per la materia fermionica (cioè a spin semintero 1/2 3/2 …) di poter essere atomicamente penetrata, in quanto il confinamento degli elettroni in uno stato quanto meccanico specifico a 4 valori è vincolante e non lo permette, mentre il corpo di Gesù Risorto, proprio per la sua natura Divina rompe la legge fisica ordinaria, ed è quindi una potente testimonianza della sua natura Divina. Il comportamento di Gesù potrebbe essere assimilato invece alla materia bosonica, ad esempio i fotoni, cioè ai quanti della radiazione elettromagnetica (che come tutti i bosini hanno spin intero 0,1,2…), i bosoni al contrario dei fermioni, “amano” stare tutti nello stesso stato (esempio la luce del laser, radiazione elettromagnetica coerente cioè in fase).
Conclusione
Il prologo di San Giovanni così dice: GV 1,1-5 In principio era il Verbo, e il Verbo era presso Dio e il Verbo era Dio. Egli era, in principio, presso Dio: tutto è stato fatto per mezzo di lui e senza di lui nulla è stato fatto di ciò che esiste. In lui era la vita e la vita era la luce degli uomini; la luce splende nelle tenebre e le tenebre non l’hanno vinta.
Ora non è importante capire tutti i passaggi scientifici, ma è bello avere una idea della complessità di ciò che è assolutamente sfuggente all’occhio umano e di quanto sia profonda la Sapienza e la Scienza Divina che con amore infinito ci “sostiene” nel vero senso della Parola.
Mapko