venerdì 4 settembre 2015

Com'è fatto un nucleo atomico


Ciao a tutti amanti della fisica!
Oggi vorrei parlare della struttura dei nuclei atomici. Abbiamo tutti almeno una vaga un'idea di com'è fatto un atomo: una piccola sferetta centrale carica positivamente, detta nucleo, attorno alla quale orbitano degli elettroni, carichi negativamente. Le dimensioni di un atomo si aggirano attorno al decimo di miliardesimo di metro, ma ancora più sorprendenti sono le dimensioni del nucleo. Se infatti provassimo a misurare il diametro di questa piccola sfera troveremmo che questo è dell'ordine del milionesimo di miliardesimo di metro. È come confrontare un campo da calcio (circa 100 metri) con questo puntino · (circa un millimetro)!


Ad ogni modo, come dicevo, ognuno di noi ha un'idea intuitiva di com'è fatto un atomo. Ci concentreremo quindi sulla composizione del suo nucleo.
Per quanto piccoli siano, questi oggetti determinano comunque moltissime caratteristiche fisiche della sostanza che compongono; vale quindi la pena di approfondire l'argomento.

Dunque, possiamo immaginarci un nucleo atomico come una pallina granulosa. Questa palla è infatti composta da due tipi di particelle: protoni, carichi positivamente, e neutroni, senza carica elettrica. Queste due particelle hanno inoltre massa quasi uguale. Collettivamente, protoni e neutroni sono detti nucleoni. Quando il nucleo è formato da pochi nucleoni, le dimensioni di questi ultimi non sono trascurabili rispetto a quelle dell'intero nucleo, e quindi prevarrà il carattere “granulare” della struttura. Inoltre si può osservare che protoni e neutroni si distribuiscono in maniera del tutto uniforme all'interno del nucleo, e che tendono a disporsi in modo da formare una sfera. Concretamente possiamo immaginarci i nuclei atomici come delle minuscole melagrane (buccia a parte chiaramente), dove i singoli chicchi rappresentano i nucleoni.
Nuclei di Piombo

La ragione che sta dietro alla distribuzione sferica dei nucleoni è la forza che li tiene attaccati. Infatti, come chiunque conosca le basi dell'elettromagnetismo avrà capito, non è facile tenere tante cariche positive confinate nello stesso posto: queste cercheranno di respingersi costantemente. Ciò che avviene pertanto è che avvicinando due nucleoni fino quasi a farli toccare si manifesterà una nuova forza, estremamente più intensa di quella elettromagnetica, che chiamiamo appunto forza nucleare forte.
Questa forza ha molte particolarità:
  • è generata dai nucleoni
  • agisce solo entro una piccolissima distanza (un nucleone è in grado di attrarre solo i nucleoni ad esso adiacenti) 
  • è solo attrattiva (fermo restando che due nucleoni non possono "sovrapporsi")
  • Non esiste ancora una formula per descriverla. Sappiamo che c'è, ma non riusciamo a scriverla analiticamente.

Per quanto possano sembrare caratteristiche insolite, esiste un'altra forza in natura che si comporta in questo modo: la tensione superficiale. *(a dire il vero non si tratta di una vera e propria forza, ma il concetto è simile) Vediamo questa forza tutte le volte che abbiamo a che fare con piccole quantità di liquidi. La tensione superficiale è la ragione per cui le goccioline di qualunque liquido assumono una forma pressoché sferica, e spiega anche perché avvicinando due gocce queste tendano a fondersi per formarne una più grande, nonostante non interagiscano a distanza.



Questo avviene grazie alla tensione superficiale
Insomma, proprio perché la forza nucleare forte si comporta come la tensione superficiale possiamo immaginare a un nucleo atomico come a una goccia. Una sorta di goccia di chicchi di melagrana!
In generale quindi, il comportamento dei nuclei è davvero molto simile a quello di una piccola goccia di un liquido qualunque; non a caso in fisica si parla proprio di “modello a goccia”. Questa teoria riesce a descrivere perfettamente diverse caratteristiche dei nuclei, comprese molte di cui non parlerò ora, ed è attualmente utilizzata. Il modello prevede inoltre che i nucleoni si muovano costantemente a velocità molto elevate all'interno del nucleo.

Ok, abbiamo visto com'è fatto il nucleo e analizzato come interagiscono tra loro protoni e neutroni. Ma questi? I nucleoni hanno una struttura interna o sono particelle fondamentali e indivisibili? Questo punto è ancora un po' dibattuto, ma la teoria più largamente accettata in fisica delle particelle, il cosiddetto Modello Standard, prevede che i nucleoni siano a loro volta composti da altre particelle.

Per capire come sono fatti i nucleoni occorre introdurre un'altra categoria di particelle: i quark. Si tratta di corpuscoli fondamentali, ovvero non composti a loro volta da altre particelle (per quanto ne sappiamo). La caratteristica che più di ogni altra contraddistingue i quark è la loro carica elettrica. Chiariamo meglio: in natura TUTTE le cariche elettriche sono multipli di una carica elementare, indicata con la lettera e. Qualunque carica consideriate, potrete sempre scomporla in un multiplo intero di e: è questa la quantizzazione della carica elettrica, alla quale si è già accennato in questo articolo. L'unica eccezione a questa regola è rappresentata dai quark, che hanno carica inferiore ad e. Per la precisione, i quark possono avere carica pari a un terzo di e o a due terzi di e, ed esistono sia quark con carica positiva che quark con carica negativa. Su questo torneremo più avanti chiaramente, ma ciò dovrebbe bastare a spiegare la struttura interna dei nucleoni.

In breve, pensiamo che il protone sia composto da due quark di carica pari a due terzi di e e da un quark di carica pari a meno un terzo di e, in questo modo il protone avrebbe proprio la carica elettrica elementare e, come d'altronde si osserva. Similmente, il neutrone sarebbe composto da un quark di carica due terzi di e e da due quark con carica negativa di un terzo di e. In totale quindi il neutrone avrebbe carica nulla. In questo modo si riesce a dare una struttura a tutte le particelle non fondamentali a noi note.
Il comportamento dei quark all'interno dei nucleoni è molto simile a quello dei nucleoni all'interno del nucleo; anzi, la stessa forza nucleare forte è proprio una conseguenza delle interazioni che intervengono tra i quark all'interno dei nucleoni. L'argomento però è molto vasto e ci torneremo sicuramente, ma non ne parleremo in quest'articolo poiché diventerebbe davvero troppo lungo!

Grazie per aver letto fin qui,
Giulio





Immagini tratte da:
salute.pourfemme.it
scibersgiovagnoli.blogspot.com

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