La particella di zio – parte terza

Nelle precedenti “puntate”, “La particella di zio – parte prima” e “La particella di zio – parte seconda”, ho descritto l’atomo, il suo nucleo e che cosa si apprestavano a fare gli scienziati una volta effettuate quelle scoperte.

Ovviamente gli scienziati non si accontentavano di quello che avevano scoperto, anche perché ad ogni scoperta veniva fuori che mancava qualcosa o, il più delle volte, per effettuare una scoperta venivano messe in gioco energie sempre più alte e strumenti sempre più raffinati che rivelavano qualcosa di nuovo.

Così nacque la fisica delle particelle, e per non tediarvi, non mi dilungherò su ogni singola scoperta ma proverò ad immaginare di dovere, in parole povere e comprensibili, spiegare come funziona il cosiddetto “zoo delle particelle” a mio figlio di quasi sei anni.

Tutte le cose che ci circondano, una pietra, una rondine, una montagna, il mare o i fiori, sono composte da mattoncini chiamati quark. I quark, furono chiamati così da Murray Gell-Mann (New York, 1929), fisico statunitense, uno dei suoi scopritori, a quanto pare perché in quel periodo stava leggendo un brano nonsense chiamato “three quarks for Muster Mark”, dal romanzo Finnegans Wake di James Joyce. La parola, apparentemente senza significato, in realtà è un formaggio tedesco (o una parolaccia tedesca, ma il prodotto non cambia).

Quindi il quark è la componente fondamentale della materia, ogni singola particella (anche quelle che abbiamo già citato, protone e neutrone, ad esempio).

Ci sono diversi tipi di quark. Una coppia si chiama “up (su)” e “down (giù)”. Con due quark up e un quark down si forma un protone. Invece con un quark up e due quark down abbiamo un neutrone.

Supponiamo di prendere dei mattoncini Lego, con i quali mio figlio si diverte a costruire le cose più strane (stamattina ha fatto una caserma, sempre secondo la sua immaginazione, con in cima un elefante e dei fiori nel prato, mentre l’altro giorno ha costruito l’armatura di Iron Man, con tanto di batterie per alimentare il suo “cuore” elettromagnetico e presa d’aria per il condizionamento all’interno della tuta – “altrimenti suda!, ha detto”-).

Il quark up lo rappresentiamo con un mattoncino blu, mentre il quark down lo rappresentiamo con un mattoncino verde. Tra i quark dobbiamo mettere un mattoncino trasparente. Si chiama “gluone”, dall’inglese “glue”, colla. E come la colla, serve a tenere insieme i quark. Il gluone (o meglio, i gluoni, perché ne esistono di otto tipi diversi!) è il messaggero di quell’interazione che chiamiamo «forte», quella che tiene confinati i quark negli adroni. Per due quark uniti all’interno di un adrone, l’interazione forte è diversa, decine di volte più forte dell’attrazione elettromagnetica dovuta alla loro carica elettrica. Ed è talmente forte che nessuno può osservare i quark aggirarsi da soli. Si ritrovano solo in compagnia all’interno degli adroni, e questa è una delle ragioni per cui ci è voluto parecchio tempo per immaginarne l’esistenza, e per verificarla con un’evidenza sperimentale.

In fisica un adrone (dal greco “ἁδρός”, hadrós, cioè forte) è una particella subatomica soggetta alla forza nucleare forte e formata da quark: i protoni e i neutroni sono per esempio adroni. Esistono altri adroni, ma continuiamo a vedere come combinare i mattoncini.

Intanto prendiamo un mattoncino giallo e facciamogli fare l’elettrone. Nell’atomo di idrogeno, per esempio avremo le due combinazioni di mattoncini illustrate prima con l’idrogeno che gli gravita intorno. Ma per essere completi, dobbiamo prendere un altro mattoncino grigio e lungo e fargli fare la parte del fotone.

Anche i fotoni sono “messaggeri”, ma dell’interazione elettromagnetica, responsabili di tenere insieme i nuclei e gli elettroni dentro gli atomi.

Ora pensiamo ad un bicchiere d’acqua. Dentro ci sono approssimativamente tre milioni e cinquecento mila miliardi di miliardi di molecole di acqua, a loro volta composte da due atomi di idrogeno (che è il più semplice) e un atomo di ossigeno (otto volte quello di idrogeno), atomi che come abbiamo visto sono composti da protoni, neutroni, a loro volta composti da triplette di quark, ed elettroni. Tanta roba!

Esistono altri quark, ma prima di descriverli, torniamo un attimo ai due che avevamo già visto, l’up e il down. In realtà c’è un terzo messaggero, un mattoncino giallo di nome “bosone W”. In pratica, quando, all’interno di un protone, un quark cambia “stato” e si trasforma da “up” a “down”, lo fa emettendo una particella chiamata “bosone” W. E visto che il bosone W si porta via anche la carica elettrica, un protone (due up e un down, ricordate?) diventa un neutrone (due down e un up).

Per trasformare invece un neutrone in un protone il processo è un po’ più complesso, ma per semplificare vi dico solo che abbiamo bisogno di un altro messaggero, un mattoncino più tozzo, chiamato “bosone Z”. Nel 1984, mentre io entravo alla “Scuola Militare Nunziatella”, il fisico italiano Carlo Rubbia veniva insignito del premio Nobel per la fisica proprio per la scoperta dei bosoni. E pensare che Rubbia, al concorso per entrare all’università, era il primo dei non ammessi. Poi un posto resosi vacante ha fatto il resto (e la storia della fisica!).

Nella trasformazione da neutrone a protone in realtà le cose sono un po’ più complicate, e qui entrano in gioco le anti-particelle. Le particelle, per loro natura, sono molto simili tra di loro, ma hanno sempre una caratteristica che li contraddistingue, sia essa la carica elettrica, la massa o lo spin. Quest’ultimo è una specie di momento angolare e, pur non esistendo una grandezza corrispondente in meccanica classica, per analogia richiama la rotazione della particella intorno al proprio asse.

Un’antiparticella è una particella che corrisponde per massa a una delle normali particelle, ma è caratterizzata da alcuni numeri quantici opposti, come la carica elettrica o lo spin. Esiste un’antiparticella per ognuna delle particelle conosciute; l’insieme delle antiparticelle compone l’antimateria.

Detto questo, andiamo avanti.

I protoni e i neutroni, formati da tre quark ciascuno, ogni tanto nascondono altri tipi di quark. Gli scienziati se ne accorsero usando energie sempre più elevate e facendo sbattere i protoni contro sottili fogli di alluminio. Dopo l’urto, dall’altra parte del bersaglio, apparivano protoni, neutroni, elettroni, positroni (detti anche antielettroni o positoni, cioè le antiparticelle degli elettroni), e persino neutrini.

In fisica delle particelle il neutrino è una particella subatomica elementare di massa piccolissima e carica elettrica nulla. Una Stella riesce a brillare nel corso di miliardi e miliardi di anni senza mai spegnersi né saltare in aria. Il nostro Sole continuerà a brillare per altri 5 miliardi di anni, dopo i 5 già passati a brillare. Una cosa poco nota è che il Sole brilla più di neutrini che di luce. Sono i neutrini che evitano al Sole di saltare in aria. Mentre io sto scrivendo questo articolo, su ogni centimetro quadrato di superficie del mio corpo arrivano 60 miliardi di neutrini al secondo. Con gli occhi non possiamo vederli, ma se i nostri occhi fossero sensibili ai neutrini per noi sarebbe sempre giorno.

Tra questa folla di particelle risultanti però spuntavano ogni tanto anche altre particelle mai viste prima. Tornando all’esempio dei mattoncini colorati, ogni tanto spuntava un mattoncino quadrato blu, di quelli che abbiamo usato fino ad adesso, e un mattoncino quadrato rosso, attaccati con i soliti gluoni. Oppure un mattoncino quadrato verde e uno rosso. Oppure, un mattoncino blu, uno verde e uno rosso.

I fisici iniziarono a chiamare quelle particelle elementari, i mattoncini rossi, “strange”, cioè strane (perché allora non ci capivano molto). Un mattoncino quadrato verde e uno rosso, o uno blu attaccato a uno rosso fanno una particella detta “kaone” (cambia la carica tra una e l’altra combinazione), mentre un mattoncino blu, uno verde e uno rosso fanno una particella chiamata “lambda”.

Ogni combinazione di quark può dare una particella differente. Si possono prendere tre mattoncini del colore che preferisce, oppure due, ricordandosi che uno dei due deve essere un anti-quark. Nel primo caso costruisce una particella che i fisici chiamano “barione”, nell’altro un “mesone”. Insieme compongono quelli che dicevo prima, cioè gli “adroni”.

Aggiungiamo al gioco un mattoncino viola. I fisici lo hanno chiamato “charm”, che vuol dire affascinante. Anche questo quark si può aggiungere ad altri e creare così nuove combinazioni.

Lo so che a qualcuno gira la testa. È per quello che, per esempio, al Dipartimento di Fisica dell’università di Tor Vergata, che io ho frequentato negli anni ‘90, ci sono solo sessanta matricole all’anno, solo un terzo delle quali giunge alla laurea. Se fosse materia semplice, non sarebbe così complicata (lapalissiano, vero?).

Per chiudere con i quark, ne esiste un’altra coppia: mattoncino nero e mattoncino grigio, il quark “beauty”, bellezza, e il quark “truth”, verità.

Ricapitoliamo.

Allineiamo tre mattoncini gialli, in ordine di grandezza crescente: saranno l’elettrone, il muone e la particella tau. Sopra ognuno di essi mettiamo un piccolo pezzo rotondo e trasparente di diverso colore, rosso, blu, verde: il neutrino dell’elettrone, quello del muone, e quello della tau. Tutti questi sono chiamati leptoni, cioè particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali) e non influenzate dalla forza forte. Sono tre famiglie, ognuna formata da una particella con carica elettrica e dotata di una certa massa, e da un compagno neutrino, leggerissimo ed elettricamente neutro.

Di fianco tre coppie di mattoncini quadrati: sono i quark: la coppia blu e verde, cioè “up” e “down”, allineati all’elettrone. La coppia viola e rosso, “charm” e “strange”, allineata al muone e al suo neutrino. Infine, sistemo un mattoncino nero e uno grigio, il quark “beauty” e il quark “truth”, nella posizione che tra i leptoni è occupata dalla particella tau. Adesso anche la compagine dei quark è completa. Come per i leptoni, ci sono tre famiglie, ognuna composta da una coppia di quark.

I componenti della materia sono così completi, anche se in realtà ad ogni mattoncino andrebbe affiancato il suo mattoncino al contrario ad indicare una particella uguale in tutto, tranne per il segno, la cosiddetta “antiparticella”.

Mancano i messaggeri.

Un mattoncino chiaro e sottile è il fotone: messaggero dell’interazione elettromagnetica, quella che mette in relazione, con un’attrazione o una repulsione, a seconda del segno della carica elettrica, le particelle cariche, quindi i tre leptoni carichi (elettrone, muone e tau) e tutti i quark. Ogni particella con una carica elettrica può emettere e assorbire un fotone, mentre un fotone con sufficiente energia può trasformarsi in una coppia composta da una qualunque particella carica, e dalla sua antiparticella. Poi prendiamo un mattoncino quadrato, sottile e trasparente: si chiama gluone. Serve a tenere insieme i quark negli adroni.

Sotto il gluone mettiamo il bosone W e quello Z, mediatori dell’interazione responsabile di certe forme di radioattività, che chiamiamo interazione “debole”, perché la sua portata è decisamente corta: l’intensità dell’interazione debole tra due quark confinati in un adrone è circa mille volte inferiore di quella elettromagnetica, e diminuisce drammaticamente se li allontanate un po’.

Ciò che il bosone W fa è trasformare ogni membro delle sei famiglie di particelle allineate sul tavolo nel suo compagno. Un elettrone che emette un bosone W si trasforma in un neutrino elettronico, un quark up in un quark down, e così via. Con un meccanismo analogo, una volta prodotto, un bosone W si disintegra in una coppia familiare: un muone e un (anti-)neutrino muonico, per esempio, oppure un quark charm e un (anti-)quark beauty. Il bosone W ha anche lui una carica elettrica, positiva o negativa: il bosone W emesso da un elettrone si porta via la sua carica elettrica negativa, lasciando sul campo un neutrino elettronico, privo di carica elettrica.

Il bosone Z trasmette la stessa interazione debole del bosone W, ma è elettricamente neutro. Quando viene emesso, non trasforma la particella da cui proviene, ma la lascia inalterata. A sua volta, invece di disintegrarsi nella coppia di particelle di una certa famiglia, preferisce generare una coppia particella-antiparticella, in modo del tutto simile a ciò che fa il fotone. Le somiglianze con il fotone sono tali che i fisici a un certo punto hanno sospettato che l’interazione elettromagnetica e quella debole fossero due facce dello stesso fenomeno, che hanno battezzato “interazione elettrodebole”. La differenza principale tra la manifestazione elettromagnetica e quella elettrodebole va cercata nella massa dei diversi messaggeri, che determina la portata dell’interazione. Il fotone, senza massa, trasporta l’interazione elettromagnetica a distanze virtualmente infinite. I bosoni W e Z hanno entrambi una massa considerevole, pari rispettivamente a circa ottanta e novanta volte quella del protone. Questa massa limita enormemente l’intensità della loro azione, il loro spazio di manovra, e la durata della loro vita.

Per i fisici le cose non sono state così semplici come allineare dei mattoncini. Occorreva fare ordine nello “zoo”, trovare una logica nelle particelle che venivano scoperte l’una dietro l’altra, apparentemente senza uno schema definito. È stato un esercizio molto lungo, che ha coinvolto intere generazioni di scienziati.

Ultima scoperta, la particella Xi.

Proprio in questi giorni, al Cern, grazie alla più potente macchina del mondo nota come Lhc (Large Hadron Collider), il gruppo LHCb ha scoperto un nuovo mattoncino nell’Universo Subnucleare. È dotato di carica elettrica doppia rispetto ai protoni del nostro corpo. Ma perché la sua scoperta è così importante?

Ricordate quanti sono i quark? Sei. E da quanti quark è composta la materia? Due. E gli altri quattro? Avevamo detto che la combinazione di alcuni degli altri quark dava come risultato i barioni.

Il termine barione deriva dal greco βαρύς (barùs), che significa “pesante”, e fu dato alle particelle caratterizzate da una massa maggiore rispetto alle altre fino ad allora conosciute. I barioni più noti sono i protoni e i neutroni (sempre loro), che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell’universo (l’altro componente maggiore degli atomi, l’elettrone, ha massa circa 1800 volte inferiore).

Ma esistono anche altri barioni, solo che finora avevano presentato al massimo un solo quark pesante, al loro interno. All’appello mancava una particella che fosse composta invece da due quark pesanti, come il quark charm.

La particella “generica” Xi può avere molte combinazioni di quark. Quella appena trovata è appunto composta da due quark charm più un quark più leggero (up, in questo caso), ed è pesante tre volte e mezzo un protone (o un neutrone). L’aspetto sorprendente della scoperta è che i due quark pesanti al suo interno (i due charm, da cui il fascino… doppio!) ruotano l’uno attorno all’altro in una danza armoniosa, come in un sistema di stelle binario, attorno al quale ruota a sua volta il quark u.

Questa scoperta aiuterà a comprendere più in profondità i meccanismi che regolano proprio l’interazione forte, quella che spiega l’esistenza della materia, descritta da una fisica che prende il nome di “cromodinamica quantistica”.

Ma questa, è un’altra storia…

Liberamente ispirato da “Particelle familiari. Le avventure della fisica e del bosone di Higgs, con Pulce al seguito”, di Marco Delmastro.

La particella di zio – parte seconda

Se in qualche cataclisma andassero perdute tutte le conoscenze scientifiche, e una sola frase potesse essere tramandata alle generazioni successive, quale enunciato conterrebbe la maggiore informazione nel minor numero di parole? Io credo si tratti dell’ipotesi atomica, cioè che tutte le cose sono fatte di atomi, piccole particelle in perpetuo movimento che si attraggono a breve distanza, ma si respingono se pressate l’una contro l’altra.

(Richard Feynman – Sei pezzi facili)

Il premio Nobel per la fisica Richard Feynman (1918 – 1988), all’inizio delle sue “Lectures”, lezioni di fisica tenute nel 1961 e 1962 agli studenti del primo e secondo anno del Caltech (California Institute of Technology), spiega com’è fatto un atomo. E lo fa in un modo così semplice che chiunque (anche tu, Andrea!) gli può stare dietro. Vi consiglio di leggerlo.

Abbiamo visto nel precedente brano (La particella di zio – parte prima) quali siano i mattoni principali che costituiscono gli atomi. Più atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali i protoni, con carica positiva, i neutroni, con carica neutra (che formano il nucleo) e gli elettroni, con carica negativa (che “girano” intorno al nucleo).

Senza addentrarmi troppo nelle descrizioni chimiche e fisiche, le definizioni che ho appena scritto potevano andare bene all’inizio, nella fase embrionale della cosiddetta “teoria atomica”. Man mano che la scienza progrediva, le definizioni e le scoperte andavano a migliorare il modello.

Come abbiamo già detto, Rutherford fu il primo a descrivere l’atomo in maniera abbastanza vicina alla realtà: propose un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell’atomo fosse concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (carico positivamente) e gli elettroni gli ruotassero attorno così come i pianeti ruotano attorno al Sole (modello planetario). Era quasi giusto, sia perché nel suo modello atomico non comparivano i neutroni, successivamente scoperti da Chadwick nel 1932, sia perché il modello non teneva conto delle piccole discrepanze tra teoria ed osservazioni successive.

Grazie al fatto che si faceva strada la teoria quantistica, nel 1913 Niels Bohr propose una modifica concettuale al modello di Rutherford. Pur accettandone l’idea di modello planetario, postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite fisse, dette anche “orbite quantizzate”, queste orbite possedevano un’energia quantizzata nelle quali gli elettroni non emettevano né assorbivano energia: in particolare, un elettrone emetteva o assorbiva energia sotto forma di onde elettromagnetiche solo se effettuava una transizione da un’orbita all’altra, e quindi passava ad uno stato a energia minore o maggiore.

Questo era il modo migliore per spiegare come mai gli elettroni, se giravano intorno al nucleo, non ne venissero fatalmente attratti.

Ciò nonostante, il modello di Bohr si basava ancora su postulati e soprattutto funzionava bene solo per l’idrogeno: tutto ciò, alla luce anche del principio di indeterminazione introdotto da Werner Karl Heisenberg nel 1927, convinse la comunità scientifica che fosse impossibile descrivere esattamente il moto degli elettroni attorno al nucleo, motivo per cui ai modelli deterministici fino ad allora proposti si preferì ricercare un modello probabilistico, che descrivesse con buona approssimazione qualsiasi atomo.

Quindi si passò da un modello planetario, quello di Rutherford, ad uno ad orbite fisse, quello di Bohr, ad uno impossibile da descrivere visivamente.

Fu abbandonato il concetto di orbita e fu introdotto il concetto di orbitale. Secondo la meccanica quantistica non ha più senso infatti parlare di traiettoria di una particella: da ciò discende che non si può neanche definire con certezza dove un elettrone si trova in un dato momento. Ciò che è possibile conoscere è la probabilità di trovare l’elettrone in un certo punto dello spazio in un dato istante di tempo. Un orbitale quindi non è una traiettoria su cui un elettrone (secondo le idee della fisica classica) può muoversi, bensì una porzione di spazio intorno al nucleo definita da una superficie di equiprobabilità, ossia entro la quale c’è il 95% della probabilità che un elettrone vi si trovi.

A quel punto nacque la fisica delle particelle. E si scoprì che le particelle erano ben più di tre. Ma facciamo un passo indietro.

Dmitrij Ivanovič Mendeleev (1834 – 1907) fu un chimico russo. Nel 1868 iniziò a scrivere il suo libro, “Princìpi di chimica”. Il suo progetto prevedeva la sistematizzazione di tutte le informazioni dei 63 elementi chimici allora noti. Lo scienziato russo preparò 63 carte, una per ciascun elemento, sulle quali dettagliò le caratteristiche di ognuno. Ordinando le carte, secondo il peso atomico crescente, si accorse che le proprietà chimiche degli elementi si ripetevano periodicamente. Sistemò i 63 elementi conosciuti nella sua tavola e lasciò tre spazi vuoti per gli elementi ancora sconosciuti.

Che cos’è il peso atomico? Senza entrare in tecnicismi, il peso atomico è legato al numero totale di neutroni e protoni presenti nel nucleo. Il peso reale è leggermente inferiore alla somma dei pesi dei differenti componenti perché protoni e neutroni hanno massa diversa (anche se solo del 2‰) e perché parte della massa delle particelle costituenti il nucleo viene ceduta sotto forma di energia di legame nella fase di nucleosintesi, riducendo il peso totale con un meccanismo noto come difetto di massa. Il peso degli elettroni modifica solo leggermente il totale, perché la massa di un elettrone è pari a 1⁄1836 quella di un protone, se considerati entrambi a riposo.

Senza che Mendeleev lo sapesse, pochi anni prima avevano già tentato l’impresa Lothar Meyer (1864) e John Newlands (1865), le cui tavole non consentivano però la previsione di nuovi elementi ancora non scoperti. In più, nei casi in cui le proprietà di un elemento comportavano il suo inserimento in una casella diversa da quella corrispondente al suo peso atomico, Mendeleev coraggiosamente cambiava l’ordine, sostenendo che le proprietà sono più importanti del peso atomico.

Per esempio, il tellurio, con un peso atomico di 127,61, dovrebbe venire dopo lo iodio, che ha peso atomico 126,91, seguendo il criterio dei pesi atomici; mettendo invece il tellurio prima dello iodio, esso risulta sotto al selenio, a cui somiglia molto, mentre lo iodio in tal modo risulta sotto al bromo, suo parente stretto.

Infine, ed è la cosa più importante, là dove Mendeleev non trovava altro modo per far funzionare le cose, non esitò a lasciare dei posti vuoti nella tavola, annunciando, con quella che apparve una sicumera inaudita, che si sarebbero in futuro scoperti gli elementi che avrebbero riempito le caselle vuote. E si spinse ancora oltre. Per tre di tali buchi descrisse gli elementi che dovevano riempirli, utilizzando come guida le proprietà degli elementi soprastanti e sottostanti nella tabella. E qui Mendeleev ebbe un colpo di fortuna. Tutti e tre gli elementi da lui previsti furono scoperti mentre era ancora in vita, consentendogli di assistere al trionfo del suo sistema.

Dopo la scoperta dei raggi X, venne alla luce che proprio tramite quelli era possibile distinguere gli elementi: nel 1914, il giovane fisico inglese Henry Gwyn-Jeffreys Moseley determinò le lunghezze d’onda dei raggi X caratteristici prodotti da vari metalli, arrivando all’importante scoperta che la lunghezza d’onda diminuiva con regolarità man mano che si procedeva nella tavola periodica. I chimici numerarono così gli elementi da 1 (idrogeno) a 92 (uranio). Risultò poi che i “numeri atomici” così ottenuti erano importanti dal punto di vista della struttura interna degli atomi, ben più di quanto non lo fossero i pesi atomici. Per esempio, i dati forniti dai raggi X mostrarono che Mendeleev aveva avuto ragione nel porre il tellurio (numero atomico 52) prima dello iodio (numero atomico 53), nonostante il maggior peso atomico del primo.

Senza tirarla troppo per le lunghe, ci sono attualmente 118 elementi noti, alcuni stabili, altri instabili, alcuni esistenti in natura, altri creati in laboratorio. Ma ci sono due cose da tenere a mente. Intanto, che tutta la materia è formata da alcuni di quei 118 elementi; poi, che il funzionamento degli stessi ci fornisce uno strumento essenziale per effettuare tante altre scoperte, sia teoriche sia pratiche. E gli scienziati non si sono fatti pregare.

Infatti negli anni cinquanta e sessanta si svilupparono macchine in grado di produrre e rivelare un’incredibile varietà di particelle. Si faceva riferimento a queste come allo “zoo delle particelle”. Questo termine venne abbandonato dopo la formulazione del modello standard, durante gli anni settanta, nel quale questo grande numero di particelle venne spiegato in termini della combinazione di un numero (relativamente) piccolo di particelle fondamentali. Infatti fu necessario mettere un po’ d’ordine al caos che si stava creando.

Il principio fisico per lo studio di nuove particelle è quello semplice degli urti ad elevata energia: facendo collidere tra di loro particelle ad alta energia cinetica, ovvero a velocità prossime alla velocità della luce, il prodotto può essere, per l’equivalenza tra massa ed energia, una nuova particella a massa superiore che eventualmente decade in altre particelle figlie. Dall’analisi di tali decadimenti è possibile risalire alle caratteristiche della particella madre.

L’Italia ha un ruolo di primo piano nella fisica delle particelle, partecipando con posizioni di responsabilità importanti alla realizzazione ed alle ricerche che si effettuano nei più importanti progetti. Le ricerche in questo settore sono finanziate in Italia in gran parte dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) che collabora con decine di dipartimenti di fisica delle diverse università italiane.

Nel 1984 l’italiano Carlo Rubbia ha ricevuto Premio Nobel per la fisica per la conferma sperimentale dei Bosoni W± e Z al CERN di Ginevra.

L’Italia è uno stato membro fondatore del CERN, e per tre volte ha avuto la direzione generale del laboratorio (Carlo Rubbia, dal 1989 al 1993, Luciano Maiani dal 1999 al 2003, Fabiola Giannotti dal 2015).

Prima di andare avanti, rispondo a quello che ha pensato: “Sì, ok, ma a che serve?” (tanto lo so che c’è).

Le spese pubbliche per finanziare i grandi progetti di ricerca hanno spesso avuto ricadute tecnologiche positive di rilievo anche in settori diversi da quelli che le attività di ricerca hanno come finalità principale. Tra le applicazioni che sono nate dall’ambiente di ricerca della fisica delle particelle vi sono:

  • il World Wide Web, nato al CERN per migliorare gli strumenti di comunicazione scientifica, il protocollo HTTP ed il linguaggio HTML;
  • rivelatori di particelle utilizzati per diagnostica medica;
  • l’adroterapia, che dovrebbe curare il cancro attraverso l’uso di acceleratori. Grazie alla possibilità di controllare con precisione l’energia e la localizzazione delle particelle accelerate, è possibile depositare dosi di radiazione in maniera controllata per distruggere le cellule cancerose senza danneggiare i tessuti circostanti;
  • la tomografia ad emissione di positroni, o PET, uno strumento di diagnostica medica che utilizza l’antimateria.

Sistemati gli agnostici con i diagnostici, torniamo a noi.

Avevamo spiegato che esistono tre particelle, protone, neutrone ed elettrone. Grazie agli acceleratori di particelle, sono state scoperte molte altre particelle, anche se a volte è stato necessario aspettare anni per vedere il risultato delle teorie.

Ad un certo punto si comprese che all’interno dell’atomo vi erano altre particelle. Becquerel, quando aveva scoperto la radioattività, si era reso conto che, mentre una parte della radiazione emessa dalle sostanze radioattive era costituita da elettroni, un’altra parte non lo era. I Curie in Francia ed Ernest Rutherford in Inghilterra avevano identificato una radiazione che era meno penetrante di un fascio di elettroni; Rutherford la denominò “raggi α (alfa)”, e chiamò “raggi β (beta)” l’emissione formata da elettroni; pertanto gli elettroni, quando entrano a far parte di una radiazione, sono denominati “particelle beta”. I raggi alfa risultarono anch’essi costituiti di particelle che furono chiamate “particelle alfa”. Nello stesso periodo il chimico francese Paul Ulrich Villard scoprì una terza forma di emissione radioattiva, cui fu dato il nome di “raggi γ (gamma)”. Alfa, beta e gamma sono le prime tre lettere dell’alfabeto greco.

Per primo Rutherford, seguito da tutti gli altri scienziati dell’epoca, con strumenti via via sempre più sofisticati, iniziò a bombardare gli elementi con le particelle alfa.

Quando bombardò i nuclei di azoto con le particelle alfa in una delle originarie camere a nebbia di Wilson, la particella alfa lasciava una traccia che terminava improvvisamente con una biforcazione, evidentemente a causa di una collisione con un nucleo di azoto. Uno dei due rami era relativamente sottile, e rappresentava un protone sbalzato via. L’altro ramo, una traccia corta e grossa, rappresentava ciò che restava del nucleo di azoto che aveva subìto la collisione. Ma della particella alfa stessa non vi era alcuna traccia. Sembrava che dovesse esser stata assorbita dal nucleo di azoto, supposizione che fu in seguito confermata dal fisico inglese Patrick Maynard Stuart Blackett; si dice che questi abbia effettuato più di ventimila fotografie per arrivare a mettere insieme otto di tali collisioni (certamente un esempio di pazienza, fede e tenacia sovrumane). Per questo e altri lavori nel campo della fisica nucleare, Blackett ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1948.

A quel punto era possibile ricostruire cosa fosse successo al nucleo di azoto: catturando una particella alfa, il suo numero di massa saliva da 14 a 18 e la sua carica positiva da 7 a 9; dato però che la combinazione espelleva immediatamente un protone, il numero di massa ridiscendeva a 17 e la carica positiva a 8. Ora, l’elemento di carica positiva 8 è l’ossigeno, mentre il numero di massa 17 individua l’isotopo dell’ossigeno 17. In altri termini, Rutherford, nel 1919, aveva trasmutato l’azoto in ossigeno. Si trattava della prima trasmutazione artificiale della storia umana. Il sogno degli alchimisti era stato realizzato, anche se in una maniera che essi non avrebbero potuto né prevedere né attuare con le loro tecniche primitive.

Come proiettili, le particelle alfa ottenute dalle sorgenti radioattive presentavano dei limiti: non avevano certo abbastanza energia per riuscire a penetrare nei nuclei degli elementi più pesanti, le cui elevate cariche positive esercitano una forte repulsione sulle particelle cariche positivamente. Ma la fortezza del nucleo era stata violata, e attacchi più energici sarebbero seguiti.

La prossima volta vedremo la famiglia delle particelle fino ad arrivare all’ultimogenita, la particella Xi.

La particella di zio – parte prima

Gregory (detective di Scotland Yard): “C’è qualcos’altro su cui vuole attirare la mia attenzione?”

 Holmes: “Sul curioso incidente del cane, quella notte”.

 Gregory: “Ma il cane non ha fatto nulla quella notte”.

 Holmes: “Questo appunto è il curioso incidente”

“Barbaglio d’argento”, Sir Arthur Conan Doyle, 1892

 

Come spesso accade quando si scrive, ben difficile risulta descrivere ciò che non è visibile agli occhi. Ma è anche vero che non tutto ciò che non è visibile agli occhi dell’uomo deve essere preso come qualcosa di inesistente.

Pensate se doveste descrivere il wifi a uno che non sa cosa sia neanche un computer. O un atomo a un lettore di questo blog (scherzo, l’ho già fatto e sono sicuro che tutti i lettori lo abbiano ben compreso nonostante le mie pessime spiegazioni).

Immagino quanto sia stato difficile per certi scienziati comprendere (o far comprendere, dipende da quale lato del tavolo fossero) la struttura atomica. Soprattutto dopo che Marx Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947), Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962), Albert Einstein (1879 – 1955), Peter Debye (1884 – 1966) e Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (1868 – 1951) ebbero le idee e le intuizioni che portarono loro e i loro discepoli ad elaborare la teoria della meccanica quantistica.

I fondatori della teoria quantistica sostanzialmente costrinsero gli scienziati a dividere il mondo in due parti: al di sopra, vi era la matematica classica con la quale era possibile descrivere i processi fisici empiricamente osservabili; sotto, vi era la matematica quantistica che descriveva un regno completamente al di fuori del determinismo fisico.

In generale, si comprese che lo stato evoluto del sistema “di sotto“ non poteva essere abbinato a nessuna descrizione classica delle proprietà visibili all’osservatore e gli scienziati avrebbero dovuto scegliere particolari proprietà del sistema quantistico, sviluppando un modello per vedere i suoi effetti sui processi fisici “di sopra”.

Ora, se è difficile per uno che lo fa di mestiere, pensate quanto lo sia per uno come me, che ha nella fisica delle particelle un interesse poco più che hobbistico! Ma chi mi conosce lo sa, quando mi intestardisco su una cosa, in genere mi piace portarla a termine.

È di pochi giorni fa la notizia della scoperta al Cern della particella Xi: inseguita da decenni, potrà aiutare a studiare la ‘colla’ che tiene unita la materia, ossia per capire una delle quattro forze fondamentali della natura: la forza forte. La scoperta, annunciata nella conferenza della Società Europea di Fisica in corso a Venezia e in via di pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters, è avvenuta grazie all’acceleratore più grande del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc).

Ma facciamo un passo indietro.

I greci sapevano che la materia non era divisibile all’infinito. Ipotizzarono che, dividendo un pezzo di materia in pezzi sempre più piccoli, alla fine ci fossero dei frammenti che non avrebbero potuto essere divisi e chiamarono questi frammenti atomi (da ἄτομος – àtomos -, indivisibile, unione di ἄ – a – [alfa privativo] + τέμνειν – témnein – [tagliare]).

Fu però, per vari motivi, necessario arrivare al 1800 perché la teoria atomica fosse quanto meno presa in considerazione (sporadicamente, nella storia, altri l’avevano esaltata, ma erano stati, al loro tempo, bellamente ignorati).

Cerchiamo di capire che cosa sono gli atomi e quali sono le particelle che li compongono.

Tutto ebbe inizio con gli studi sull’elettricità. Michael Faraday, fisico e chimico britannico, tentò tutti gli esperimenti con l’elettricità che gli vennero in mente, tra cui uno che consisteva nel far passare una scarica elettrica nel vuoto. Non riuscì, però, a ottenere un vuoto abbastanza spinto per i suoi scopi. Nel 1854, un maestro vetraio tedesco, Heinrich Geissler, costruì un tubo di vetro in cui erano saldati degli elettrodi metallici e in cui, con una pompa da lui stesso inventata, era possibile raggiungere un vuoto molto spinto. Quando gli sperimentatori riuscirono a ottenere scariche elettriche nel “tubo di Geissler”, notarono che si manifestava una luminescenza verde sulla parete del tubo opposta all’elettrodo negativo. Nel 1876 il fisico tedesco Eugen Goldstein giunse alla conclusione che tale luminescenza verde dovesse dipendere dall’urto sul vetro di una qualche radiazione originata nell’elettrodo negativo, che Faraday aveva denominato “catodo”.

Goldstein pertanto chiamò queste radiazioni “raggi catodici”. Si trattava di una forma di radiazione elettromagnetica? Così riteneva Goldstein, ma il fisico inglese William Crookes e alcuni altri sostennero che si trattava piuttosto di un fascio di qualche tipo di particelle. Crookes progettò alcune versioni migliorate del tubo di Geissler (chiamate poi “tubi di Crookes”), con cui poté dimostrare che i raggi venivano deflessi dall’azione di un magnete. Ciò faceva pensare che fossero costituiti di particelle elettricamente cariche.

Nel 1897, il fisico Joseph John Thomson chiarì la questione al di là di ogni dubbio, dimostrando che i raggi catodici potevano essere deviati anche dalle cariche elettriche. Cosa erano, dunque, queste “particelle” catodiche? Le uniche particelle aventi carica negativa note a quell’epoca erano gli ioni negativi. Gli esperimenti mostrarono però che le particelle che costituivano i raggi catodici non potevano essere ioni, perché subivano una così forte deviazione da parte del campo magnetico da far pensare che avessero una carica elettrica inconcepibilmente alta, oppure che fossero particelle estremamente leggere, con una massa inferiore a un millesimo di quella dell’atomo di idrogeno.

Risultò che quest’ultima interpretazione si adattava meglio ai fatti. I fisici avevano già avanzato l’ipotesi che la corrente elettrica fosse trasportata da particelle, e così queste particelle catodiche furono accettate come le costituenti ultime dell’elettricità. Vennero chiamate “elettroni”, nome suggerito nel 1891 dal fisico irlandese George Johnstone Stoney. In seguito si stabilì che l’elettrone aveva una massa pari a 1 su 1837 di quella dell’atomo di idrogeno (Thomson ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1906 per la scoperta dell’elettrone).

La scoperta dell’elettrone fece pensare subito che esso potesse essere una particella costitutiva dell’atomo: gli atomi non erano quelle unità ultime e indivisibili della materia che i greci avevano ipotizzato.

Nel 1886 sempre Goldstein, usando un tubo a raggi catodici con un catodo perforato, aveva scoperto una nuova radiazione che passava attraverso i fori del catodo in direzione opposta ai raggi catodici, e l’aveva chiamata “Kanalstrahlen” (raggi canale). Fu proprio questa radiazione, nel 1902, a dare l’opportunità di osservare per la prima volta l’effetto Doppler-Fizeau in una sorgente luminosa terrestre. Il fisico tedesco Johannes Stark collocò uno spettroscopio in posizione tale che i raggi si dirigessero verso di esso, e rese così osservabile lo spostamento verso il violetto. Per questa ricerca gli fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1919.

Dato che i raggi canale si muovono in direzione opposta a quella dei raggi catodici, che hanno carica negativa, come abbiamo visto, Thomson propose di chiamarli “raggi positivi”. Risultò che le particelle che costituivano i raggi positivi attraversavano facilmente la materia, e pertanto si suppose che il loro volume fosse molto inferiore a quello degli atomi o degli ioni ordinari. Misurando la deviazione subita da tali particelle in un campo magnetico, si giunse alla conclusione che la più piccola di esse aveva carica e massa uguali a quelle dello ione idrogeno, nell’ipotesi che quest’ultimo trasporti la più piccola quantità possibile di carica positiva; se ne dedusse che la particella che costituiva i raggi positivi fosse la particella positiva fondamentale, quindi l’opposto dell’elettrone. Rutherford la denominò ”protone” (dalla parola greca che significa «primo»).

Protone ed elettrone hanno effettivamente cariche elettriche uguali, benché di segno opposto, tuttavia la massa del protone è 1836 volte maggiore di quella dell’elettrone. A questo punto appariva verosimile che un atomo fosse composto di protoni ed elettroni, le cui cariche si controbilanciavano; sembrava anche probabile che i protoni stessero nell’interno dell’atomo, perché non possono essere facilmente staccati da quest’ultimo, com’è invece possibile per gli elettroni. Ora, però, l’interrogativo fondamentale riguardava la struttura formata da queste particelle costitutive dell’atomo.

Fu lo stesso Rutherford a trovare il bandolo della matassa. Tra il 1906 e il 1908 egli seguitò a bombardare con le particelle alfa sottili lamine di metallo (d’oro o di platino, per esempio) per studiarne gli atomi: gran parte dei proiettili attraversavano la lamina senza essere deviati (così come delle pallottole possono passare tra le foglie di un albero indisturbate), ma non tutti. Rutherford aveva collocato dietro al metallo una lastra fotografica che fungeva da bersaglio, e trovò, intorno al suo centro, un’inaspettata rosa di colpi che si erano dispersi; alcune particelle, inoltre, erano rimbalzate all’indietro! Era come se alcune pallottole non fossero semplicemente passate tra le foglie, ma fossero rimbalzate su qualcosa di più solido.

Rutherford giunse alla conclusione che esse avevano colpito qualcosa di simile a un nucleo compatto, che occupava solo una parte molto piccola dell’atomo. A quanto sembrava, la maggior parte del volume dell’atomo doveva essere occupata dagli elettroni. Le particelle alfa “sparate” contro la lamina metallica incontravano perlopiù soltanto elettroni e attraversavano questo velo di particelle leggere senza venirne deviate; ogni tanto, però, poteva accadere che una particella alfa colpisse il nucleo più denso dell’atomo, e venisse deflessa.

Il fatto che ciò accadesse molto raramente mostrava quanto dovessero essere minuscoli i nuclei atomici, visto che una particella che attraversa un foglio di metallo deve incontrare parecchie migliaia di atomi.

Era logico supporre che questo nucleo più compatto fosse fatto di protoni. Rutherford descrisse i protoni come una piccola folla addensata in un minuscolo “nucleo atomico” al centro dell’atomo. In seguito è stato dimostrato che il diametro del nucleo è poco più di 1 su 100 mila di quello dell’atomo.

Questo, dunque, è il modello fondamentale dell’atomo: un nucleo carico positivamente, che occupa uno spazio piccolissimo ma contiene quasi tutta la massa dell’atomo, circondato da una “schiuma” di elettroni che occupa quasi tutto il volume dell’atomo, ma praticamente non contribuisce alla sua massa. Per questa ricerca straordinariamente pionieristica sulla natura ultima della materia Rutherford ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1908.

Nel 1930, due fisici tedeschi, Walther Bothe e Herbert Becker, riferirono di aver causato l’emissione da parte del nucleo di una nuova radiazione misteriosa, eccezionalmente penetrante. Tale radiazione era stata ottenuta bombardando atomi di berillio con particelle alfa. L’anno prima, Bothe aveva ideato dei metodi per usare due o più contatori congiuntamente nei “conteggi a coincidenza”. Grazie a essi si potevano individuare eventi nucleari che avvenivano in un milionesimo di secondo. Per questo e altri contributi egli ebbe il premio Nobel per la fisica nel 1954.

Due anni dopo la scoperta di Bothe e Becker, una scoperta analoga fu fatta dai fisici francesi Frédéric e Irène Joliot-Curie. (Irène era la figlia di Pierre e Marie Curie, e Joliot, sposandola, aveva aggiunto al proprio il cognome Curie.) Essi avevano usato la radiazione scoperta di recente, emessa dal berillio, per bombardare la paraffina, una sostanza simile alla cera, composta di idrogeno e carbonio. La radiazione espelleva protoni dalla paraffina. Il fisico inglese James Chadwick pensò subito che la radiazione fosse costituita di particelle. Per determinare le loro dimensioni, bombardò degli atomi di boro con tali particelle e calcolò, in base all’aumento della massa del nuovo nucleo formatosi, che la massa della particella aggiunta al boro sarebbe dovuta essere circa uguale a quella del protone. Eppure tale particella non era osservabile in una camera di Wilson. Chadwick giunse alla conclusione che la particella fosse priva di carica elettrica; infatti in tal caso non avrebbe prodotto ionizzazione e per questa ragione non si sarebbe verificata la condensazione delle goccioline di acqua.

Così Chadwick stabilì che si era in presenza di una particella completamente nuova, che aveva circa la stessa massa del protone, ma era priva di carica, ossia elettricamente neutra. Da tempo era stata presa in considerazione la possibilità che esistesse una simile particella, per la quale era stato anche proposto un nome: “neutrone”. Chadwick accettò tale nome. Per la scoperta del neutrone gli fu conferito il premio Nobel per la fisica nel 1935.

Questi tre, protoni, neutroni ed elettroni, sono gli elementi costituenti l’atomo. Ma possiamo andare più a fondo? Certamente, e la prossima volta vedremo la famiglia delle particelle e capiremo perché la scoperta della particella Xi è così importante.

Che forza!

Tante volte ci poniamo domande le cui risposte non sono semplici. Chi siamo? Dove andiamo? Ci sarà fila in ufficio postale? Ho chiuso la macchina?

Qualche giorno fa, parlando con amici dell’essere spendaccioni, uno di loro ha detto che le sue tasche sono come un buco nero. Io l’ho corretto dicendo “pozzo senza fondo, vorrai dire!” e ne è nata una discussione se il buco nero debba o non debba essere per forza una cosa senza fondo… Conscio del fatto che il mio caro amico non sappia perché il buco nero è nero, mi appresto a spiegarlo su queste pagine e di come il nostro destino sia legato indissolubilmente ad essi (ai buchi neri)… ovviamente, essendo l’argomento molto complesso, toglierò tutta la matematica che sarà possibile togliere e vi chiederò il solito sforzo di pazienza e fiducia. In questa prima parte vi parlerò delle forze, degli atomi e del rapporto che c’è tra loro.

Ci sono quattro diversi modi in cui le varie particelle che compongono l’Universo si influenzano reciprocamente. Ognuno di questi modi è un’interazione, o, per dirlo in termini più comuni, una forza. Alcuni scienziati hanno provato a supporre e a trovare una quinta forza, ma sembra che non esista. Ogni particella è l’origine di una o più forze ed è il centro di una porzione di spazio dal quale la forza si estende, con un’intensità che diminuisce man mano che ci si allontana da tale punto. Questa porzione di spazio è chiamata “campo di forza”. Ogni particella che entra in un campo di forza ne è influenzato e a sua volta lo influenza. Questa influenza si manifesta generalmente con un movimento, che può essere un’attrazione o una repulsione, salvo che non vi sia un impedimento al movimento, detto anche vincolo. Per esempio, qualunque oggetto in grado di produrre un campo di forza gravitazionale, che è legato alla massa dell’oggetto stesso, attirerà a sé gli oggetti di massa minore e verrà attirato da quelli di massa maggiore. Per questo la Terra è attirata dal Sole, ruotandogli intorno, e per questo noi cadiamo se ci spostano la sedia mentre ci stiamo sedendo!

Le quattro forze note sono, in ordine: l’interazione nucleare forte, l’interazione elettromagnetica, l’interazione nucleare debole, l’interazione gravitazionale. Riassumo in tabella 1 le forze, da ora in poi le chiameremo così, con le relative intensità.

 

 

Forza

Intensità

Nucleare forte 103
Elettromagnetica 1
Nucleare debole 10-11
Gravitazionale 10-39

Tabella 1

Come si vede, la forza nucleare debole e quella gravitazionale sono molto meno intense delle altre due ma poiché quella “debole” si manifesta solo in regioni di spazio molto limitate, cioè a grandezze subatomiche, non serve più citarla in questa esposizione. Quindi da ora in poi, quando parlerò di forza nucleare, intenderò quella “forte”.

Come dicevo, ogni particella genera uno o più campi; oltre che l’intensità di una forza è importante anche il raggio di azione, cioè, come dicevamo, l’estensione del campo di forza. Solo alcune particelle, quindi, saranno soggette a quei campi. Per esempio, la forza nucleare, pur essendo molto intensa, ha un campo di forza molto piccolo, che si estende per circa 10-13 m. Rispondo ad essa solo alcune particelle, chiamate “adroni”, dal greco ἁδρός , adrós cioè “forte”; gli adroni più comuni e più importanti per la struttura dell’Universo sono due, il protone ed il neutrone. Il protone è stato scoperto nel 1914 dal fisico britannico Ernest Rutherford (1871-1937), e il suo nome deriva dalla parola greca πρῶτος, pròtos, cioè “primo”, perché al momento della sua scoperta era l’oggetto più piccolo conosciuto ad avere una carica elettrica positiva. Il neutrone è stato scoperto nel 1932 dal fisico inglese James Chadwick (1891-1974). Non trasporta carica elettrica, positiva o negativa. In altre parole, è elettricamente neutro; da qui il suo nome.

Nel 1911 Rutherford suppose che l’atomo, dal greco ἄτομος, àtomos, indivisibile (unione di ἄ, alfa privativo e τέμνειν, témnein, tagliare), fosse formato da piccolissimi nuclei molto densi e a carica positiva circondati da nuvole di elettroni poste a distanze relativamente grandi dai nuclei. In pratica la visione che tutti noi abbiamo di un atomo si rifa’ a questo modello e assomiglia ad un mini-sistema solare, dove il nucleo è al centro e gli elettroni gli girano intorno. La teoria di Rutherford però mostrava dei difetti (ad esempio non spiegava perché gli elettroni durante il loro moto, con il quale dovrebbero perdere energia, non cadano nel nucleo con conseguente distruzione degli atomi, cosa che per noi non sarebbe piacevolissima…).

Questi difetti furono superati dal modello atomico del fisico danese Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962) che fu elaborato tra il 1913 e il 1915. Secondo Bohr l’atomo di ogni elemento è costituito da un nucleo centrale, formato da protoni e neutroni, attorno al quale ruotano gli elettroni. Il movimento degli elettroni avviene però su orbite particolari dette orbite stazionarie. Il movimento degli elettroni sulle orbite avviene senza assorbimento né emissione di energia, quindi l’elettrone ruotando entro un’orbita non perde energia e non può cadere nel nucleo. Le orbite stazionarie sono considerate livelli di energia. Tutte le volte che un elettrone si sposta da un livello di energia maggiore ad uno di energia minore cede energia, viceversa acquista energia quando passa da un livello di energia minore ad uno di energia maggiore. In questi passaggi l’elettrone cede o acquista energia in modo quantizzato, cioè secondo quantità ben definite dette quanti di energia.

In realtà, neanche il modello di Bohr era verosimile: il fisico austriaco Erwin Schrödinger (1887 – 1961) stabilì che gli elettroni non si muovono lungo orbite fisse (come un treno lungo i binari), ma si allontanano e si avvicinano al nucleo, viaggiando a una velocità così elevata (prossima alla velocità della luce, circa 300.000 km al secondo), che è praticamente impossibile stabilire contemporaneamente, in un determinato istante, la loro posizione e la loro velocità. Di ogni elettrone possiamo solamente definire lo spazio tridimensionale intorno al nucleo all’interno del quale abbiamo un’elevata probabilità di trovare l’elettrone stesso. È come se l’elettrone fosse “contenuto” (con alta probabilità) all’interno di una nube o di un guscio (di dimensioni, forma e orientamento spaziale definiti matematicamente), chiamata “orbitale”.

Quello che a noi interessa in questo momento però sono le dimensioni relative, del nucleo e dell’atomo. Per farci un’idea, consideriamo una sfera dal diametro di un metro. Ebbene, un atomo avrà un diametro dieci miliardi di volte più piccolo. Per indicare questa misura si scrive 10-10m, che vuol dire appunto un metro diviso dieci miliardi. Il nucleo, a sua volta, è diecimila volte più piccolo dell’intero atomo, e per indicare le sue dimensioni si scrive 10-14. Insomma tra i diametri del nucleo e dell’atomo c’è un rapporto pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di San Pietro a Roma.

Poiché il volume è proporzionale al cubo dei diametri, la proporzione tra la materia solida e lo spazio vuoto in un atomo è pari a 10-12: un milionesimo di milionesimo. Questo significa che se dividiamo lo spazio occupato da un atomo in un milione di spazi e poi ognuno di questi spazi in un milione di parti, solo uno di questi sarà occupato da materia, tutti gli altri saranno vuoti! E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò vuol dire che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia.

Rutherford già aveva ipotizzato nel 1911 che quasi tutta la massa dell’atomo fosse nel nucleo, da cui si capiva che le particelle più massicce, cioè i protoni e i neutroni, si sarebbero dovute trovare nel nucleo. Il numero di protoni varia da un tipo di atomo all’altro, così che, per esempio, l’atomo di Idrogeno ha un solo protone nel nucleo, quello di Elio ne ha due, quello di Litio tre e così via fino all’Uranio che ne ha novantadue. Atomi maggiori difficilmente si trovano liberi in natura, anche se elementi artificiali con più di novantadue protoni sono stati “fabbricati” in laboratorio.

Cosa unisce tutti i protoni nel nucleo, dove essi sono tutti infilati in così poco spazio? Prima del 1935 erano conosciute solo due forze, quella elettromagnetica e quella gravitazionale. La forza gravitazionale è troppo debole per tenere insieme i protoni. La forza elettromagnetica è abbastanza forte, ma può manifestarsi come un’attrazione o come una repulsione. Tra due particelle di carica elettrica opposta (più e meno) c’è un’attrazione. Tra due particelle della stessa carica elettrica (più e più, o meno e meno) c’è una repulsione. I protoni sono tutti carichi positivamente e devono pertanto respingersi; e la repulsione è più intensa quando i protoni sono vicini uno all’altro. In un nucleo atomico, infatti, con i protoni praticamente a contatto, la repulsione elettromagnetica deve essere enormemente forte. Oltre ai protoni, anche i neutroni sono presenti nel nucleo, ma questo non sembra aiutare la situazione. Poiché i neutroni sono privi di carica elettrica, essi non producono né rispondono alla forza elettromagnetica.

Nel 1935 Hideki Yukawa (1907 – 1981), un fisico giapponese, ipotizzò la forza nucleare forte. Dimostrò (non mi addentrerò in particolari che esulano da questa trattazione) che esisteva una forza che riusciva a contrastare la repulsione elettromagnetica. Ma (e c’è sempre un ma a questo punto, sia che si parli di fisica che di film gialli) la forza nucleare ha due caratteristiche importantissime:

  1. Il numero di protoni e neutroni nel nucleo deve rispettare determinate proporzioni;
  2. Il campo di forza di questa interazione è molto piccolo.

Si notò anche che fino a quaranta protoni, la migliore proporzione è di 1:1, cioè un neutrone per ogni protone; oltre, il numero di neutroni aumenta. Il Bismuto, per esempio, contiene ottantatré protoni ma centoventisei neutroni. Quando un nucleo atomico eccede determinate dimensioni, diventa instabile ed emette piccole particelle beta finché non si raggiunge la stabilità. Questi materiali sono chiamati “elementi radioattivi”. Esistono anche altri tipi di radioattività, ma esulano dal nostro discorso.

Il campo di forza, dicevamo. L’intensità della forza nucleare cala rapidamente con la distanza e infatti non influenza nulla che sia fuori dal nucleo atomico. Ecco perché quindi abbiamo un limite al numero di protoni in un nucleo, semplicemente perché un atomo con un eccesso di protoni sarebbe più grande del campo di forza dell’interazione nucleare e in quel caso prevarrebbe la forza elettromagnetica e quindi la repulsione. La forza nucleare non permette semplicemente qualcosa di più grande, eccetto condizioni insolite, che vedremo più in là nella trattazione.

Abbiamo parlato a sufficienza della forza nucleare, vediamo ora come funziona quella elettromagnetica. Essa è prodotta solo da quelle particelle che trasportano una carica elettrica, disponibile in due tipi, positiva e negativa. Tra positivo e negativo si ha un’attrazione, mentre tra positivo e positivo o tra negativo e negativo si ottiene una repulsione. Abbiamo visto che nel nucleo, gli adroni presenti rispondono entrambi alla forza nucleare, che però non influenza gli elettroni, che infatti non fanno parte del nucleo stesso; invece, per quanto riguarda la forza elettromagnetica, i neutroni, essendo appunto neutri, non ne saranno influenzati, mentre elettroni e protoni sì. L’elettrone fu scoperto nel 1897 dal fisico inglese Joseph John Thomson (1856-1940), e ha ricevuto il suo nome perché era la più piccola unità di carica elettrica allora conosciuta. “Elettrone” deriva infatti dalla parola greca ήλεκτρον, électron, cioè ambra. Tale nome è storicamente dovuto al fatto che l’ambra ebbe un ruolo fondamentale nella scoperta dei fenomeni elettrici: in particolare dal VII secolo a.C. gli antichi Greci erano a conoscenza del fatto che strofinando un oggetto di ambra o ebanite con un panno di lana, l’oggetto in questione acquisiva la capacità di attirare a sé corpuscoli leggeri, quali ad esempio granelli di polvere.

Anche non facendo parte del nucleo, l’elettrone ne è attratto a causa della carica opposta e, essendo la “carica” di protone ed elettrone uguale nell’intensità ma opposta nel segno, la proporzione tra protoni nel nucleo ed elettroni “orbitanti” è di 1:1, cioè un elettrone per ogni protone. Pertanto, quando ci sono tot protoni nel nucleo, l’esistenza di tot elettroni negli orbitali farà sì che i due tipi di carica si annullino a vicenda, e l’atomo nel suo complesso è elettricamente neutro. Anche se, come abbiamo detto, l’elettrone e il protone sono uguali nella carica elettrica, anche se di segno opposto, non hanno la stessa massa e il protone è 1836.11 volte più massiccio dell’elettrone. Piccola digressione: la massa (inerziale) è quella proprietà di un corpo per la quale questi oppone una resistenza quando si cerca di accelerarlo applicandovi una forza (seconda legge della dinamica). Il peso di un corpo invece è la forza con cui questo corpo viene attratto verso un altro e dipende dalla distanza dei due corpi. Il nostro peso sulla Terra e sulla Luna è diverso mentre la massa non cambia. Fine digressione.

Immaginate un atomo, quindi, con x protoni e y neutroni nel nucleo e gli x elettroni nelle regioni esterne degli atomi. La carica elettrica è equilibrata, ma più del 99,97% della massa dell’atomo è nel nucleo. Anche se il nucleo contiene quasi tutta la massa di un atomo, costituisce solo una piccola frazione del volume di un atomo. Ora consideriamo due atomi. Ognuno ha una carica elettrica complessiva pari a zero. Potremmo supporre, quindi, che non si dovrebbero influenzare reciprocamente; idealmente, secondo quanto detto finora, dovrebbe essere così. E così sarebbe se la carica elettrica dell’elettrone fosse omogenea su tutta la “superficie” degli orbitali. Ma così non è: vediamo perché.

La carica negativa degli elettroni è presente nelle regioni esterne dell’atomo, e la carica positiva del nucleo è nascosta all’interno. Quando due atomi si avvicinano, è la regione esterna carica negativamente dell’uno che si avvicina alla regione esterna carica negativamente dell’altro. Le due cariche negative sappiamo che si respingono e ciò comporta che due atomi posti vicino “rimbalzano”. Il gas Elio, per esempio, è costituito da atomi di elio che non fanno che muoversi e respingersi tra loro. A temperatura ordinaria gli atomi di elio si muovono abbastanza rapidamente e rimbalzano reciprocamente con una forza considerevole. Come la temperatura si alza, rimbalzano più velocemente; quando  si abbassa, gli atomi si muovono più lentamente e si avvicinano sempre di più. Mentre non c’è un limite (in effetti c’è, ma per la nostra “indagine” non serve) di riscaldamento, c’è un limite di raffreddamento, che è rappresentato dalla temperatura di -273,18°C, detto zero assoluto, temperatura alla quale gli atomi sono fermi (più o meno). Anche se l’atomo di Elio ha una distribuzione di carica che è abbastanza vicina ad essere perfettamente simmetrica, in effetti non lo è. La carica elettrica è non distribuita uniformemente, e di conseguenza, parti della superficie dell’atomo sono un po’ meno negative rispetto ad altre. Di conseguenza la carica positiva interna dell’atomo fa capolino attraverso le aree meno negative della parte esterna, per intenderci, e due atomi vicini si attireranno molto debolmente. Questa debole attrazione si chiama forza di van der Waals, poiché scoperte dal fisico olandese Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).

Gli atomi a volte si attraggono reciprocamente in modo più forte. Gli elettroni nelle regioni esterne degli atomi come abbiamo visto sono disposti in “gusci”, e la struttura è più stabile se tutti i gusci sono pieni. Tranne il caso dell’Elio e di alcuni elementi simili, gli atomi hanno generalmente il loro guscio più esterno non completo o con un elettrone in più. Ci può essere una tendenza per due atomi in collisione di trasferire uno o due elettroni da quello che ne ha un surplus a quello che ha carenza, così da rendere stabili le configurazioni finali. Quello che guadagna un elettrone ha guadagnato anche una carica negativa, e quello che lo perde ha guadagnato una carica positiva. I due atomi hanno quindi la tendenza ad “aggrapparsi” tra loro. Tali combinazioni di atomi sono chiamate molecole, dal latino scientifico “molecula” derivato a sua volta da latino classico “moles” cioè “mole”, che significa “piccolo oggetto”.

A volte due atomi a contatto sono sufficienti ad assicurare una stabilità. Due atomi d’idrogeno formano una molecola d’idrogeno; due atomi di azoto, una molecola di azoto; e due atomi di ossigeno, una molecola di ossigeno. A volte ci vogliono più di due atomi per riempire tutti i gusci. La molecola di acqua è costituita da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno; la molecola di metano è costituita da un atomo di carbonio e da quattro atomi di idrogeno; la molecola dell’anidride carbonica è costituita da un atomo di carbonio e da due atomi di ossigeno, e così via. In alcuni casi moltissimi atomi possono formare una molecola. Questo è il caso del carbonio, che può mettere in condivisione gli elettroni con quattro altri atomi. Pertanto si possono formare lunghe catene e anelli complicati di atomi di carbonio. Tali catene e anelli costituiscono la base delle molecole caratteristiche del tessuto vivente. Le molecole delle proteine e gli acidi nucleici nel corpo umano e in tutti gli altri esseri viventi sono esempi di tali macromolecole (macro, dal greco μακρός, macròs, cioè “lungo, esteso”).

Tutte le sostanze solide che vediamo sono tenute insieme dalle interazioni elettromagnetiche che esistono in primo luogo fra gli elettroni e protoni, quindi tra atomi diversi e quindi tra molecole diverse. Cosa più importante, questa capacità della forza elettromagnetica di tenere insieme una miriade di particelle si estende verso l’esterno praticamente senza fine. L’interazione nucleare può produrre soltanto il piccolo nucleo atomico. La forza elettromagnetica, invece, più debole, può aggregare atomi e formare dalle particelle di polvere alle montagne; può produrre un corpo delle dimensioni della Terra stessa e corpi ben più grandi ancora.

Ogni cambiamento chimico è il risultato di trasferimenti di elettroni da un atomo a un altro. Questo include tutte le modifiche che ci sono al nostro interno, dalla digestione del cibo, alla contrazione dei muscoli, alla crescita di nuovo tessuto, agli impulsi nervosi, alla generazione del pensiero all’interno del nostro cervello; tutto questo è il risultato di cambiamenti sotto il controllo della forza elettromagnetica.

La prossima volta scriverò di densità e di gravità e di come questa, pur essendo la più debole delle quattro forze fondamentali, alla lunga riservi delle sorprese. E il mio amico si avvicinerà sempre di più a capire che differenza c’è tra un buco nero e un pozzo senza fondo.

Fonte: Il collasso dell’Universo, Isaac Asimov, Mondadori 1986