L'atomo è una particella avente massa e volume piccolissimi. Le prime formulazioni sono da attribuire ai Cinesi, poi nel corso dei secoli a Greci, Romani e Arabi che elaborarono diverse teorie; tutte a carattere filosofico. Con lo sviluppo della chimica le caratteristiche degli atomi cominciavano ad assumere valore quantitativo; ma solo con la scoperta della radioattività naturale nel XX secolo si arrivò alla fisica atomica. Nel 1896 Becquerel notò che un minerale di uranio riusciva ad impressionare delle lastre fotografiche. I coniugi Curie studiarono a fondo questa attività radiante. Nel 1897 Thomson scoprì l'elettrone. Nel 1905 Einstein con l'equazione E=mc2 dimostrò che dalla massa è possibile liberare un enorme quantitativo di energia. Successivamente Rutherford bombardò una lamina d'oro con delle particelle alfa e dall'osservazione degli angoli di deflessione determinò che la maggior parte della massa dell'atomo era concentrata nel nucleo. Si arrivò all'idea che esso fosse composto da protoni con carica positiva in opposizione agli elettroni di carica negativa. Niels Bohr ampliò questo modello affermando che gli elettroni descrivono delle orbite intorno al nucleo spinti da forze elettrostatiche. Poi riallacciandosi alla teoria dei quanti di Plank affermò che un elettrone saltando da una orbita più esterna ad una più interna rilascia energia di tipo elettromagnetico con una determinata frequenza di vibrazione. Thomson grazie allo spettrometro di massa scoprì che esistono atomi dello stesso elemento chimico ma con massa differente; ad essi diede il nome di isotopi. Nel 1932 Chadwick avanzò l'ipotesi di particelle aventi massa pari a quelle del protone ma prive di carica che chiamò neutroni. Nel 1933 i coniugi Joliot-Curie giunsero alla fissione nucleare usando particelle alfa molto energiche ottenendo la liberazione di particelle sia negative che positive. Fermi pensò di migliorare il processo usando i neutroni come proiettili. Egli si servì di un tubetto di vetro contenente grani di berillio che prima della saldatura veniva esposto al radio. Riuscì in tal modo a ricavare molti isotopi. Nel 1939 Fermi costruì la pila atomica basata sulla fissione dell'uranio dovuta ai neutroni lenti. Nel 1930 Eddington dimostrò che nel sole avvengono processi di fusione termonucleare causata dagli atomi di idrogeno che si uniscono per formare l'elio. Tale reazione richiede temperature molto alte, cosa che fu possibile ottenere nel 1952 con la detonazione della prima bomba all'idrogeno.
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