Le forze nucleari for dummies

Come ormai consuetudine, affianco all’articolo “serio” uno più semplice, in cui i concetti vengono resi più comprensibili tramite esempi.

Dopo anni e anni di studi, a tutt’oggi sappiamo che nell’universo agiscono quattro tipi di forze, e non se n’è trovata mai una quinta: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte.

  • La forza gravitazionale è comune a tutta la materia, poiché tutti i corpi materiali si attirano reciprocamente;
  • La forza elettromagnetica è prodotta dalle cariche elettriche, ed è sia attrattiva sia repulsiva;
  • La forza nucleare debole agisce all’interno dei nuclei atomici ed è responsabile della radioattività;
  • La forza nucleare forte agisce all’interno dei nuclei atomici e tiene insieme protoni e neutroni.

Tutti i fenomeni noti sono spiegabili in quanto manifestazioni di queste forze (o almeno dovrebbero).

Lo sforzo attuale dei fisici è quello di unificare tutte le forze in una sola forza, cioè di dimostrare che tutte le forze presenti in natura, anche se appaiono diverse, in effetti sono manifestazioni di una sola forza.

Il processo di unificazione è molto complesso e, nonostante le energie profuse, il traguardo è ancora lontano (se mai sarà raggiungibile). E’ anche probabile che nel tentativo di unificare le forze si scopra qualcosa che mette in crisi le conoscenze attuali e che costringa gli scienziati a rivedere, correggere ed ampliare le loro vedute.

Nella storia della scienza ciò è avvenuto più volte: proprio nel momento in cui si pensava di avere spiegato ogni cosa e scritto teorie omnicomprensive e omniesplicative, una grande rivoluzione è avvenuta che ha radicalmente cambiato il nostro modo di spiegare il cosmo.

Si pensi che alla fine dell’800 solo pochi fenomeni non si era ancora riusciti a spiegare con le teorie allora note. Fra questi l’effetto fotoelettrico e la inesplicabile elusività dell’etere dentro il quale le onde elettromagnetiche erano considerate propagarsi. Di fronte a questi pochi fenomeni inspiegabili, tantissimi altri erano perfettamente descritti e spiegati (entro i limiti di precisione degli strumenti scientifici di allora).

La teoria della gravitazione universale di Newton descriveva estremamente bene i moti dei pianeti attorno al sole e la teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell spiegava con grande precisione (per allora) tutti i fenomeni elettromagnetici noti.

Il tentativo di fare rientrare nelle teorie note anche quegli “strani” fenomeni portò, invece, alla creazione della teoria della relatività e della meccanica quantistica che sconvolsero la nostra visione del cosmo. Pochi fenomeni anomali, che non stavano “alle regole”, misero in crisi teorie che sembravano a prova di “bomba”.

Queste due teorie, purtroppo non conciliabili nei principi su cui si fondano e nella forma matematica con cui sono espresse, sono tuttora alla base delle teorie fisiche attuali e la loro incompatibilità (la prima spiega i fenomeni macroscopici, la seconda quelli microscopici) è il grande problema ancora irrisolto.

Forse, nel tentativo di risolvere questa loro contraddizione, si dovrà creare una nuova teoria, completamente diversa dalle precedenti, che le contenga però come casi particolari, come casi limite, così come la teoria della relatività e la meccanica quantistica contengono le precedenti teorie di Newton e Maxwell come casi limite.

Visto che la forza di gravità e quella elettromagnetica sono più famose e conosciute (la prima soprattutto, lo noto dai miei pettorali quando mi specchio alla mattina), parlerò solo delle due “nucleari”.

La forza nucleare debole è l’unica forza che agisce su le coppie di particelle elementari. Ha raggio d’azione piccolissimo ed è 100.000 volte più debole della forza forte. Questa forza non è in grado di tenere unite delle particelle e, data la sua debolezza, permette al neutrone di scindersi in un protone, elettrone e neutrino (decadimento beta). I fenomeni legati alla forza nucleare debole sono strettamente legati a quelli elettromagnetici. Per questo è stata creata la forza elettrodebole, la quale interpreta entrambi i fenomeni in un’unica teoria.

La forza nucleare forte tiene uniti i protoni ed i neutroni all’interno del nucleo di un atomo. La forza elettromagnetica tende a far allontanare le particelle con carica uguale, cioè i protoni, ma la forza forte, anche se ha un raggio d’azione molto piccolo, riesce a vincere questa repulsione e tiene unito il nucleo.

La forza nucleare forte è estremamente intensa e, se liberata, sprigiona immense energie. L’energia che le stelle producono è dovuta alle reazioni nucleari che avvengono nel loro interno. Qui sulla terra, l’uomo sta utilizzando questa energia per tentare di risolvere per sempre i propri bisogni energetici ma tuttora i problemi relativi alla produzione di questa energia sono enormi sia in termini di impatto ambientale (scorie radioattive) che in termini di controllo della medesima (problema del confinamento della fusione).

Riassumendo, la forza nucleare forte è una potentissima colla universale. Tant’è vero che a trasportarla è una particella che si chiama ‘gluone’ (dall’inglese glue, colla appunto). Malgrado sia così potente, però, non siamo in grado di percepirla perché opera a livello nucleare, all’interno degli atomi: è quella che all’interno del nucleo mantiene fra protoni e neutroni distanze di milionesimi di miliardesimi di metro – un fenomeno straordinario, visto che i protoni caricati positivamente dovrebbero allontanarsi per la repulsione tra cariche opposte. Non possiamo percepirla né vederla, solo ipotizzarne l’esistenza; ma siamo già stati in grado di utilizzarla e in molti ambiti: per creare energia nucleare, per mettere a punto diagnosi e terapie in medicina, per la radio-datazione al carbonio di reperti archeologici. E, purtroppo, per costruire armi nucleari.

 

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