Come si sa, l'elettrone è una particella ma anche un'onda, una doppia natura che consente di mettere in evidenza caratteristiche particellari o ondulatorie a seconda del tipo di esperimento che si predispone. Si chiama "dualità onda-corpuscolo" ed è una caratteristica di tutta la materia e la radiazione. La storia che ha portato a questa convinzione è piuttosto lunga e articolata e si è sviluppata grosso modo nei primi trent'anni del novecento, quegli stessi anni che hanno portato alla formulazione della meccanica quantistica, la teoria che questa dualità la descrive e la formalizza in modo completo.
Ma la cosa divertente che mi è capitata ultimamente di leggere e che non sapevo è che questa dualità (riferita in particolare all'elettrone) è stata in un certo senso una "scoperta di famiglia", la famiglia Thomson.
Nel 1897, nell'ambito di una serie di esperimenti che avevano come oggetto i raggi catodici, Joseph Thomson (padre) mise in evidenza che i raggi catodici erano costituiti da cariche di elettricità negativa portate da particelle di materia. Riuscì a misurare il rapporto tra la carica e la massa di questi "corpuscoli" e successivamente riuscì anche ad ottenere una misura separata di carica e massa, trovando per quest'ultima un valore decisamente più piccolo di quello precedentemente stimato per lo ione più leggero conosciuto (H+). Si trattava dunque di una particella nuova che venne chiamata elettrone (il termine nasceva qualche anno prima per identificare la carica elettrica unitaria). Questo lavoro procurò a Thomson padre il premio Nobel per la fisica nel 1906 “in riconoscimento dei grandi meriti delle sue indagini teoriche e sperimentali sulla conduzione di energia elettrica dei gas”.
Negli anni seguenti a questa scoperta successero cose epocali che sconvolsero l'interpretazione della natura della radiazione elettromagnetica. Fino ad allora era stata pensata come un'onda, prima grazie agli esperimenti di Young del 1801 sulla interferenza della luce da una doppia fenditura, in seguito con lo sviluppo dell'elettromagnetismo culminato nella formulazione delle equazioni di Maxwell nel 1864. Ma a partire dal 1900 i lavori di Max Planck (calcolo dello spettro di corpo nero, 1900), di Albert Einstein (interpretazione dell'effetto fotoelettrico, 1905) e di Arthur Compton (effetto Compton, 1922) portarono ad ipotizzare la natura anche corpuscolare della radiazione elettromagnetica. La luce da quel momento in poi era sia un'onda che una particella (fotone). Nel frattempo Joseph Thomson, ancora prima della sua importante scoperta, si era sposato e aveva avuto due figli, a uno dei quali mise nome George (1892).
Nel 1924, quando il modello dell'atomo di Bohr-Sommerfeld aveva utilizzato con successo il concetto di fotone nella descrizione degli scambi energetici tra elettroni e radiazione con cui si riuscivano a spiegare bene gli spettri atomici fino ad allora misurati, Louis de Broglie ipotizzò la possibilità che anche la materia e non solo la radiazione potesse avere una natura sia ondulatoria che corpuscolare. In particolare questo doveva valere anche per gli elettroni dell'atomo. Ma mentre per il fotone erano già noti i due comportamenti particellare e ondulatorio, ed erano stati messi in evidenza da vari esperimenti, per l'elettrone era chiara solo la sua natura particellare e nessuno aveva mai osservato manifestazioni di tipo ondulatorio. Louis de Broglie era coetaneo di George Thomson.
L'ipotesi di de Broglie fu confermata da un esperimento di diffrazione di un fascio di elettroni su un reticolo cristallino, dal momento che le distanze interatomiche di un reticolo sono dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda che era stata prevista per l'elettrone. Normalmente l'esperimento che viene sempre citato è quello di Davisson e Germer del 1927, su un cristallo di nikel, o almeno io ricordo quello. Ma in realtà gli esperimenti sono stati due, nello stesso anno. Il secondo, che utilizzava un sottile foglio di oro, è stato realizzato da George Thomson (figlio). La dualità onda-corpuscolo era dunque una caratteristica generale, sia della radiazione che della materia. Per questo risultato Davisson e Thomson ricevettero nel 1937 il premio Nobel per la fisica “per la loro scoperta sperimentale della diffrazione degli elettroni da cristalli”.
Quindi Thomson padre (Joseph) ebbe il Nobel per aver dimostrato la natura particellare dell'elettrone, mentre Thomson figlio (George) ebbe il Nobel per averne dimostrato la natura ondulatoria. Non credo però che qui ci stia bene la frase "i figli smentiscono i padri", dal momento che a tutt'oggi hanno ragione entrambi.
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