Vedere gli atomi col microscopio della befana

Un'impresa impossibile, e non perché il microscopio costa poco

Una volta, da bambino, la befana della SIP (la futura Telecom) mi regalò un microscopio. Non era un vero microscopio di quelli da laboratorio, ma una specie di proiettore, che infilavi dentro il vetrino come se fosse una diapositiva e lui te lo proiettava ingrandito sul muro bianco. Si chiamava "Elettromicroscopio", un nome che già da solo ti viene da dire: "mecojoni!". E poi specificava "20000 ingrandimenti". Una macchina fantascientifica per un bambino di 8 o 9 anni.

Nella confezione c'erano alcuni vetrini pronti, e anche le istruzioni per prepararne altri per conto proprio. Tra queste, mi ricordo, c'era la spiegazione su come vedere le cellule! E non diceva di prendere un uovo dal frigo. Diceva di prendere una cipolla, togliere quella pellicina trasparente che sta fra un guscio e l'altro, adagiarla fra due vetrini, metterci una goccia di limone (Cracco avrebbe specificato che doveva essere assolutamente un limone di Amalfi) e le cellule sarebbero apparse miracolosamente sul muro della cucina!

E era vero! Perfino senza limone si vedevano tutti mattoncini allungati, uno attaccato all'altro, a costituire la pellicina della cipolla. E dentro ciascuno di quei mattoncini si vedeva anche un puntino più scuro: il nucleo. Tutto proprio come nei disegni dei libri! Per me fu un successo, una scoperta da premio Nobel! Abbiate pazienza, ero figlio unico, e senza facebook, whatsapp e videogiochi (il tennis con le due sbarrette avrebbe iniziato a traviare la gioventù dopo qualche anno) in gennaio dovevo riempirmi il tempo in qualche modo.

E non pago di avere visto le cellule così al primo colpo mi dissi che se avessi messo il proiettore molto più distante avrei potuto vedere oggetti molto più piccoli! Furbo no? La mia ambizione, lo confesso, erano gli atomi. Vedere gli atomi con il microscopio della befana!

Avevo una casa con un corridoio lungo che sfociava nella sala, per cui misi il proiettore a un estremo del corridoio, tolsi tutti gli ostacoli di mezzo (mia madre mi guardava con preoccupazione), imposi il buio totale nella casa e accesi l'interruttore. A 10-12 metri di distanza comparve una debole macchia grigiastra, una specie di ectoplasma indefinito. Nessuna traccia delle mie amate cellule appena scoperte e men che meno degli atomi. La conoscenza scientifica, d'altra parte, si sa che procede anche attraverso grandi fallimenti!

Quello che non sapevo nella mia idea di poter vedere gli atomi erano tre cose in ordine di importanza sempre più fondamentale:

Primo: il mio elettromicroscopio non era proprio il top della tecnologia nel campo, diciamo. D'altra parte il budget della befana, si sa, è stato sempre un po' limitato, dopo che il marito lo spende tutto per Natale.  L'ottica non era esattamente una Zeiss, e la luminosità era simile a quella di uno colino per il latte. A 10 metri di distanza, con la quantità di luce che sullo schermo diminuisce come l'inverso della distanza al quadrato, quello che veniva fuori era un esperimento di pareidolia, quelle cose che uno proietta un'immagine informe e, se è particolarmente invasato, ci vede la nonna che lo saluta dall'aldilà.

Secondo: gli atomi sono MOLTO più piccoli delle cellule. Se una cellula è grande, diciamo, 10 micron , un atomo è "grande" 100000 molte meno. Dieci miliardesimi di centimetro, un decimo di nanometro. Quindi per vedere un atomo con dimensioni pari a quelle con cui vedevo la cellula della cipolla sarei dovuto andare con lo schermo non a 10 metri di distanza, ma a 100 mila metri. Cento chilometri. Altro che in fondo al corridoio!

Terzo: last but not least, anche se avessi avuto il miglior microscopio del mondo, con le lenti più perfette e una luminosità strepitosa per illuminare lo schermo a cento chilometri di distanza, anche se la befana si fosse svenata quell'anno, io gli atomi non li avrei potuti vedere comunque, perché con un microscopio ottico (cioè che usa la luce visibile per illuminare il campione) gli atomi non si possono vedere. E se il primo punto mi era apparso chiaro quando avevo visto quella macchia sbiadita sul muro della sala, e circa il secondo avevo più o meno intuito che dieci metri di corridoio, invece che un metro, potevano essere pochini per vedere gli atomi, il terzo proprio non lo sapevo.

Non c'è verso, e non è un problema tecnologico. Non sono le lenti non sufficientemente perfette né la lampadina che non fa abbastanza luce. E' proprio un problema di leggi della natura: con un microscopio gli atomi non si potranno mai vedere, nemmeno con gli ingrandimenti a manetta. E contro le leggi della natura non possiamo proprio farci niente.

E il motivo è che in un microscopio ottico come quello della befana della SIP, ma anche nel miglior microscopio da laboratorio, per vedere quello che c'è sul vetrino si usa la luce. La luce, che viene da una lampadina o dal sole che entra dalla finestra, deve illuminare l'oggetto sul vetrino, e attraverso le lenti portare all'occhio le informazioni sulla forme, la struttura, il colore di quello che c'è sul vetrino. Dei DETTAGLI di quello che c'è sul vetrino. E per fare questo la luce deve interagire con quei dettagli. Deve lasciare il vetrino e dirigersi al nostro occhio "modificata" dall'interazione con quei dettagli. Deve riportarci l'informazione che quell'oggetto ha un colore una forma, una dimensione.

Solo che c'è un problema. La luce visibile, essendo un'onda elettromagnetica, come tutte le onde ha la proprietà di avere quella che si chiama "lunghezza d'onda", che è la distanza fra due creste dell'onda. Le onde del mare hanno lunghezze d'onda che possono essere di qualche metro, fino a centinaia di metri se sono onde oceaniche. Le onde sonore hanno lunghezze d'onda di svariati metri fino a qualche millimetro, mentre le onde della luce del sole o di una lampadina, la luce che vediamo, hanno lunghezze d'onda che vanno dai 400 ai 700 miliardesimi di metro (400 - 700 nanometri). Se è luce violetta 400 nanometri, se è rossa 700 nanometri.

Perché questo è importante? Perché quando un'onda incide su un oggetto che è più piccolo della sua lunghezza d'onda, non riesce più a "vedere" quell'oggetto. Se illuminate un oggetto molto più grande della lunghezza d'onda della luce che utilizzate, non ci sono problemi: lo vedete bello nitido in tutto il suo splendore. Ma se piano piano rendete l'oggetto sempre più piccolo, quando questo diventa di dimensioni confrontabili con la lunghezza d'onda della luce che state usando, i contorni dell'oggetto diventano sempre più sbavati e indefiniti.

Avviene un fenomeno che si chiama diffrazione, che si traduce nel fatto che quell'oggetto, prima bello nitido, adesso lo si vede a malapena come una macchia confusa. E se l'oggetto diventa più piccolo della lunghezza d'onda della luce che lo illumina... scompare. La luce non lo vede più. Non è più in grado di interagirci, e di riportarci quelle informazioni che vorremmo sulla sua forma e colore. E' lo stesso motivo per cui le onde del mare vedono (ovvero ne sono influenzate) una petroliera ma non un materassino, e ancor meno un tappo che galleggia.

Quindi quando illuminiamo un oggetto su un vetrino, i dettagli più piccoli che possiamo sperare di vedere, anche con il miglior microscopio ottico del mondo, sono quelli non più piccoli della lunghezza d'onda della luce che utilizziamo. Se c'è qualcosa di più piccolo, qualche dettaglio, qualche struttura di dimensioni inferiori, questa resta invisibile.

E l'atomo? L'atomo è grande qualcosa come 0,1 nanometri, cioè da 4000 a 7000 volte più piccolo della lunghezza d'onda della luce. Non c'è speranza! Nemmeno con l'elettromicroscopio della befana della SIP.

E allora come si fa? Come facciamo a sapere come è fatta la struttura della materia? Basta avere la luce giusta! Ma di questo magari ne parliamo un'altra volta. Stay tuned!