RELAZIONE
TITOLO: L’universo invisibile (Atom) Storia dell’infinitamente piccolo dai
filosofi greci ai quark Oscar saggi Mondatori
AUTORE: Isaac Asimov (Smolensk, 1920-New York 1992)
docente di biochimica, scrittore e divulgatore scientifico. In questo saggio di
fisica e chimica individua quelli che furono nel passato i problemi più
discussi a livello teorico e di cui maggiore è stata l’influenza nel decorso
storico incentrando su di essi la narrazione.
LA MATERIA
LA DIVISIONE
DELLA MATERIA
Le diverse
culture dell'origine cosmica sono assimilate e poi sviluppate in modo originale
dai greci. Democrito e Leucippo possono essere considerati gli audaci
progenitori della teoria cinetica. Gli atomi, sostengono, si muovono a caso
nello spazio vuoto. I loro urti, casuali, danno origine alle diverse
combinazioni. Per Democrito queste combinazioni sono possibili perché atomi
diversi hanno una diversa geometria. Le teorie materialistiche, che hanno in
Leucippo e Democrito il loro culmine, vengono inglobate, ma non abbandonate,
dal pensiero di Platone e, poi, di Aristotele.
L’atomismo
venne poi ripreso nel sec.IV da Epicuro che apporta alcune correzioni al
pensiero di Democrito: gli atomi sono infiniti, ma le loro forme sono finite,
hanno peso, cadono in linea retta e solo una deviazione casuale (il clinamen)
fa sì che essi si incontrino e diano origine alle cose. L’epicureo più noto fu
Tito Lucrezio Caro che nel suo poema De rerum natura espone la teoria
atomistica di Epicuro.
Questa
teoria venne poi ripresa nel corso del Seicento grazie a Gassendi che la
ripropose come alternativa all’aristotelismo e cercò di riconciliarla con una
visione religiosa del mondo. Anche se il pensiero di Aristotele resterà, per
quasi due millenni, il fondamento di ogni teoria chimica.
Almeno fino
al 1661, quando in Inghilterra Robert Boyle (1627-91) pubblicò The Sceptical
Chymist, il chimico scettico. Boyle tentò di riscattare la chimica non solo
dalla filosofia aristotelica, nonché dalle residue e resistenti tradizioni
alchemiche, ma anche da tutte quelle interpretazioni esoteriche tuttora in voga
tra i chimici medici. Boyle riscoprì l'atomismo di Democrito e Leucippo e si
lasciò guidare da quella che egli stesso definisce la filosofia corpuscolare.
Inoltre nel
suo scritto discusse anche tutte le opinioni correnti riguardo agli elementi.
GLI ELEMENTI
Lo ionico
Talete di Mileto, cui la tradizione fa risalire l'origine del pensiero
razionale greco, considera l'acqua l'elemento primigenio. L'acqua può diventare
aria per evaporazione. E, continua Talete, può diventare un solido per
congelamento. Tutti gli stati conosciuti della materia, conclude Talete,
traggono origine dall'acqua.
I discepoli
di Talet 626b17g e, primi tra tutti Anassimandro e Anassimene, daranno maggiore
importanza alla cosmologia degli opposti. Che trova poi in Eraclito il suo più
grande teorico. Mentre Anassagora introduce il concetto di "semi",
minuscole particelle increate e indistruttibili. E ancora Empedocle di
Agrigento li riduce a soli quattro atomi.
Sempre ne
“Il chimico scettico” Boyle afferma che tutte le sostanze naturali devono
essere formate da piccole particelle elementari: da atomi solidi e fisicamente
indivisibili. Quanto alle proprietà delle sostanze naturali, sia fisiche che
chimiche, sono dovute alla dimensione e alla forma delle aggregazioni in cui le
particelle si riuniscono. Così è fatta la materia.
IL
TRIONFO DELL’ATOMISMO
Gli
elementi che si trovano sulla Terra sono quelle sostanze semplici che non
possono in alcun modo essere decomposte e che se si combinano danno luogo ai
composti. Ma qual è la quantità di elementi che possono esistere in un
composto?
Nel 1794 il chimico Proust dimostrò che, quali siano
le proporzioni di partenza degli elementi, essi sono contenuti sempre nelle
medesime proporzioni nei prodotti ottenuti. Nel 1799 il chimico francese prova
che rame e carbonato sono uniti nelle medesime proporzioni, a prescindere dal
metodo usato per la preparazione del carbonato di rame. Poi dedica i nove anni
successivi della sua vita a studiare altri composti per dare un carattere
generale a questa sua legge. Scoprendo che effettivamente le proporzioni con
cui gli elementi si associano in un dato composto sono sempre costanti.
Contro
questa teoria si batté uno studioso francese Berthollet ritenendo che, facendo
variare gradualmente le percentuali in peso degli elementi che si combinano in
una reazione chimica, fosse possibile ottenere prodotti a composizione
quantitativa via via differente. Nel 1804 però il chimico svedese Berzelius
riuscì a confermare le idee di Proust con analisi scrupolose.
Studiando
Attentamente la legge di Proust lo scienziato inglese John Dalton osservò a sua
volta che talvolta due elementi possono combinarsi tra loro in due o più
rapporti diversi: i prodotti ottenuti sono in realtà altrettante sostanze
diverse, ciascuna delle quali possiede proprietà ben definite e obbedisce alla
legge di Proust.
LA REALTÀ DEGLI ATOMI
Ma si
poteva intuirne la presenza, avere una prova della loro esistenza? Di questo si
occupò Brown nel 1827.
Osservò per
la prima volta il tipo di movimento, che da lui prese il nome, studiando il
moto di piccole particelle nel liquido delle cellule vegetali. Riconobbe che
dallo stesso moto erano animati granelli di polline morto, vetro polverizzato e
polvere. Questa era la prova dei loro effetti: gli atomi e le molecole si
muovono e il loro movimento è incessante e violento. Il moto browniano venne
poi spiegato nel 1902 da Svedberg e provato matematicamente da Einstein nel
1905; nel 1913 Perrin riuscì tramite queste equazioni a calcolare il diametro
approssimativo di un atomo.
Una
trentina di anni più tardi il matematico Maxwell riuscì per primo ad elaborare
una teoria matematica che spiegava il movimento costante degli atomi e delle
molecole. Maxwell, in particolare, dimostrò, che le molecole di un gas a
temperatura uniforme non hanno tutte la stessa velocità, ma che alcune di esse
vanno più lente, altre sono più veloci e, in generale, le loro velocità si
distribuiscono in maniera casuale tra le diverse molecole. Ciò permise di
comprendere meglio la temperatura (come misura della velocità media del moto
degli atomi e delle molecole oltre che dei gas, anche dei solidi e dei
liquidi).
LE DIFFERENZE TRA GLI ATOMI
Dalton
aveva compreso che ogni atomo aveva una massa (peso atomico): prendendo come
unità di misura il peso dell’idrogeno, nell’acqua si vede che l’ossigeno pesa
sei volte di più. Sulla base di questa ipotesi Dalton costruisce nel 1803 la
prima tabella dei pesi atomici. Ma era solo un ipotesi.
La conferma
arrivò da un esperimento condotto dal chimico Nicholson nel 1800: dimostrò che
idrogeno e ossigeno si combinano nell’acqua in rapporto di 2:1. Mentre altri
dimostrarono che nell’ammoniaca il rapporto tra idrogeno e azoto è di 3:1.
Questi
risultati non furono accettati da Dalton, geloso dei suoi rigidi postulati. Ma
vengono ben presto usati dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius sia per
confermare la legge delle proporzioni multiple che, soprattutto, per
determinare con precisione i pesi atomici dei vari elementi. Colloca l’idrogeno
a 1 e l’ossigeno a 16.
Oltre a
questo lavoro, scopre nuovi elementi, come il silicio, il titanio e il selenio.
E, infine, introduce i simboli chimici. Nel sistema simbolico di Berzelius ogni
elemento è caratterizzato da una lettera maiuscola, la prima del suo nome
latino. Seguita da una seconda lettera minuscola, in caso di confusione. Così
il simbolo dell’idrogeno diventa H; quello del sodio, Na; del cloro, Cl;
dell’ossigeno, O; dell’azoto, N.
Ma è il
chimico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) a raggiungere i risultati teorici
più interessanti. Già nel 1811 Avogadro riprende l’idea, avanzata e poi
scartata da Dalton, che volumi uguali di gas diversi contengono il medesimo
numero di particelle.
Ma non di
atomi, precisa Avogadro. Bensì di molecole. Una molecola è una particella
fondamentale dei gas, pur essendo combinazione di due o più atomi. Se si tiene
conto di ciò, sostiene Avogadro, il rapporto tra la densità di due volumi
uguali di gas fornisce in modo semplice e preciso il rapporto tra le masse dei
loro atomi. In questo modo il chimico italiano calcola (con buona
approssimazione) che il peso atomico dell’ossigeno è 15,074 volte quello
dell’idrogeno e non 8 volte, come si crede.
La sua
ipotesi, però, non viene accettata. In particolare dai due chimici più
autorevoli del tempo: Berzelius, che proprio non riesce a immaginare come due
atomi simili possano legarsi tra loro, e Dumas. Occorrerà attendere almeno
mezzo secolo prima che i chimici rendano giustizia alle ipotesi di Avogadro.
Un altro
chimico italiano, un profondo conoscitore e un acceso sostenitore delle idee di
Avogadro, ritiene giunto il momento di rilanciarle, visto che proprio quelle
idee possono costituire la base per spiegare buona parte dei risultati
conseguiti in laboratorio negli ultimi anni. Questo lo fece, nel 1860, in un
grande congresso che riunisce per la prima volta tutti i chimici del mondo.
Per dare
maggiore forza a questa idea vincente, Cannizzaro presenta ai suoi colleghi una
tavola sostanzialmente corretta dei pesi molecolari di un vasto numero di
composti.
Tocca
quindi al russo Mendeleev superare quella diffidenza. Egli ordina gli elementi
in una tavola in base al peso atomico crescente. Ogni riga è formata da sette
elementi. Ogni colonna raggruppa gli elementi con proprietà chimiche simili.
Mendeleev è talmente sicuro dei suoi calcoli che si sente di predire non solo
la collocazione, ma anche le proprietà chimiche di elementi non ancora scoperti
(che si riveleranno poi esatti).
LA LUCE
PARTICELLE E ONDE
L’esistenza dei
atomi era stata dimostrata, ora si voleva capire se anche la non materia fosse
composta di atomi. Si partì esaminando la luce e in particolare la formazione
dei colori.
Fu Newton
(1642-1727) il primo a sostenere teoricamente e a dimostrare sperimentalmente
che i colori prodotti da un prisma attraversato da un fascio di luce non sono
“creati” dal prisma stesso, ma preesistevano “mescolati” all’interno della luce
bianca, e che, quindi, la luce bianca è la somma di tutti i colori dello spettro.
Il mondo
secondo Newton è essenzialmente costituito da atomi in movimento in uno spazio
assoluto, che è prevalentemente vuoto. Gli atomi sono le particelle più piccole
di materia e quindi la luce era anch’essa costituita da particelle.
Ma in
Olanda Christiaan Huygens (1629-1695) espose vari argomenti per dimostrare che una
serie di onde poteva viaggiare in linea retta come le particelle così divenendo
uno dei primi sostenitori della teoria ondulatoria della luce. Già nel 1802 Thomas
Young aveva iniziato a
studiare sistematicamente i fenomeni d’interferenza prodotti dal passaggio
della luce proveniente da un’unica sorgente attraverso due fori molto piccoli e
molto vicini tra loro, concludendo le regioni di sovrapposizione consistevano
di bande luminose e bande alternate. Con queste conclusioni non si poteva
pensare a un’ipotesi corpuscolare.
Ma solo nel
1816 Augustin-Jean
Fresnel effettua i primi
esperimenti sull’interferenza e la diffrazione della luce, decisamente probanti
a favore della teoria ondulatoria.
Ora, le
difficoltà di questa teoria erano legate al fatto che si pensava che le onde
luminose fossero analoghe alle onde acustiche, ossia fossero caratterizzate da
oscillazioni longitudinali (che avvenivano cioè nella direzione della
propagazione della luce). Fu Fresnel a immaginare che si potesse trattare di
oscillazioni trasversali (ossia che avvenivano in direzione perpendicolare a
quella di propagazione). L'idea di Fresnel, l’unica che fosse concepibile
all’epoca, è che lo spazio interstellare non sia vuoto, ma contenga una materia
sottilissima e impercettibile, capace di formare onde. Per dare un nome a
questa materia la scelta non poteva che cadere su un termine antico: “etere”.
Così, da Fresnel in poi (almeno fino a Einstein) lo spazio, tutto lo spazio, è
pieno di un etere luminifero in cui si propaga, sotto forma di onde, la
radiazione luminosa.
I QUATTRO FENOMENI
La
“scoperta” dell’etere e lo studio delle azioni elettromagnetiche portò a
prendere in seria considerazione l’idea che le presunte azioni a distanza non
fossero altro che azioni trasmesse attraverso un mezzo, ossia azioni a
contatto, e che lo spazio fosse pieno Il fenomeno in base al quale alcuni
oggetti (soprattutto l’ambra), se strofinati, attirano altri oggetti (piume,
polvere, ecc.) era noto fin dall’antichità.
Attratto da
queste dimostrazioni, Benjamin Franklin (1706-1790) cominciò le sue ricerche che lo portarono a
scoprire che i fulmini altro non sono che immani scariche elettriche. Ma
l’importanza di Franklin per lo sviluppo dell’elettrologia sta soprattutto nel
fatto che egli contribuì in modo decisivo (utilizzando la distinzione, già
scoperta da Stephen Gray
(1666-1737), tra conduttori e isolanti elettrici) all’idea che
l’elettricità fosse un particolare tipo di materia fluida che poteva entrare o
uscire dai corpi.
Charles-Augustin de Coulomb
(1736-1806) dimostrò sperimentalmente che le cariche elettriche si attraggono o
si respingono con una forza proporzionale all'inverso del quadrato della
distanza, proprio come l’attrazione gravitazionale. Quindi il magnetismo
comporta sia un’attrazione sia una repulsione di intensità uguale.
Il fisico
sperimentale inglese Michael Faraday (1791-1867) , ispirandosi ai dubbi dello stesso
Newton, non credeva comunque nell’azione a distanza. Le sue ricerche sui
fenomeni di induzione elettromagnetica (ossia sulle correnti prodotte dallo
spostamento di magneti vicino a circuiti elettrici o viceversa, oppure dalle
variazioni di corrente nel circuito stesso o in un circuito a esso vicino) e
sulle correlate azioni meccaniche tra circuiti e magneti lo portarono a
immaginare che queste azioni non avvenissero a distanza. La sua idea era che lo
spazio fosse pieno di linee di forza. Queste linee non erano un modo di
rappresentare geometricamente forze a distanza, ma, secondo Faraday,
corrispondevano a qualcosa di fisicamente reale presente nello spazio stesso.
Un argomento che egli usava a favore di questa ipotesi era quello di far vedere
che tali linee di forza erano quasi sempre linee curve e non linee rette.
LA
COMBINAZIONE DEI FENOMENI
Il danese Hans
Christian Oersted scoprì
però nel 1820 un fenomeno che apparentemente non rientra nello schema. Un ago
magnetizzato posto nelle vicinanze di un filo percorso da corrente non viene
infatti né attratto né respinto dal filo, ma esegue una rotazione su se stesso
tendendo a disporsi perpendicolarmente al filo. La scoperta è importante non
solo perché non rientra nello schema delle attrazioni e repulsioni tra corpi
dirette lungo la congiungente dei corpi stessi, ma perché indica che i fenomeni
elettrici e quelli magnetici non sono così distinti come si pensava: nasce
l’elettromagnetismo.
La grande
trasformazione dell’interpretazione dei fenomeni elettromagnetici fu portata a
compimento, nella seconda metà dell’Ottocento, da James Clerk Maxwell. Il suo metodo, basato su una
profonda preparazione matematica, si traduceva in una continua costruzione di
modelli di ciò che avrebbe potuto essere la realtà fisica, in modo da spiegare
i fenomeni osservati.
Appunto
seguendo questo metodo, Maxwell arrivò alla seconda grande scoperta del secolo
scorso, quella del cosiddetto “campo elettromagnetico”. La sua idea riprendeva
la tendenza di Faraday e di molti fisici dell’ambiente inglese a rifiutare
l’azione a distanza. Cercando di individuare le proprietà di un’ipotetica
sostanza che, riempiendo lo spazio tra corpi carichi, magneti e circuiti (il
“campo” elettromagnetico), fosse responsabile delle azioni elettromagnetiche
osservate, Maxwell pervenne nel 1861 a due risultati di estrema importanza. In
primo luogo, le proprietà del “mezzo” che trasmette le azioni elettromagnetiche
sono rappresentabili attraverso un sistema di equazioni (da allora in poi
chiamate equazioni di Maxwell) che racchiudono tutti i risultati sperimentali fino
allora conosciuti; in secondo luogo dalle proprietà dello stesso mezzo, e
quindi dalle equazioni che rappresentavano il suo comportamento, era possibile
dedurre che in esso si propagavano onde. Il fatto straordinario era che,
calcolando teoricamente la velocità di queste onde, si otteneva un valore
eccezionalmente prossimo a quello, ricavato sperimentalmente, della velocità
della luce.
La
conclusione di Maxwell fu immediata: la luce consisteva in una propagazione
ondulatoria nello stesso “mezzo” (anche da lui chiamato etere) che era
responsabile della trasmissione delle azioni elettriche e magnetiche. Nasceva
la teoria elettromagnetica della luce.
Ma la tesi di Maxwell era solo un’ipotesi teorica. In
fondo i fenomeni elettromagnetici potevano essere spiegati ugualmente bene da
teorie basate sul concetto di azione a distanza. E della natura
elettromagnetica della luce non c’era alcuna prova sperimentale.
L’ESTENSIONE DELLO SPETTRO
Nel1800 l’astronomo Herschel
intuì che la luce e il calore del Sole non erano due cose separate. Usando un
termometro misurò le varie temperature dello spettro e scoprì che la
temperatura era più alta all’estremità del rosso. Oltre il rosso la temperatura
saliva ancora di più. Herschel aveva scoperto i raggi infrarossi.
Ciò fu confermato dalle ricerche
sul cosiddetto “calore radiante”. A queste ricerche contribuì in maniera
decisiva l’italiano Macedonio Melloni (1798-1854), il quale dimostrò che il calore radiante (poi
riconosciuto come radiazione infrarossa) si propagava in modo ondulatorio
proprio come la luce. Quindi, il calore radiante era anch’esso, come la luce,
una forma di movimento dell’etere.
Un altro chimico Ritter controllò
l’altra estremità dello spettro così scoprendo i raggi ultravioletti.
Fu lo
scienziato tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)
a ottenere osservazioni sperimentali decisive. Egli cominciò a studiare
l’influenza di materiali isolanti sull’azione elettrica tra circuiti quando
questi materiali erano interposti fra tali circuiti e quando i circuiti erano
percorsi da correnti oscillanti. A poco a poco si accorse che i suoi metodi di
osservazione avrebbero permesso di rilevare se questa azione si propagava sotto
forma di onde, che egli chiamò onde elettriche, anche quando tra i circuiti
c’era solo l’aria. In pochi mesi, nel 1888, egli produsse la prova sperimentale
che rivelava l’esistenza delle onde elettriche al di là di ogni ragionevole
dubbio.
La teoria
di Maxwell poteva ritenersi confermata; le onde elettriche altro non erano che
forme di radiazione identiche alla radiazione luminosa, anche se di lunghezza
d’onda più grande. Ormai era chiaro che la radiazione elettromagnetica si
estendeva in un ampio spettro, al cui estremo delle lunghezze d’onda molto
piccole c’era la radiazione ultravioletta, seguita, per lunghezze d’onda via
via crescenti, dalla radiazione visibile (ossia la luce), poi dalla radiazione
infrarossa (il cosiddetto calore radiante), fino alle onde elettriche (da
allora chiamate onde hertziane e poi radioonde) che potevano avere lunghezze
d’onda molto grandi.
LA
DIVISIONE DELL’ENERGIA
Fu Hermann von Helmholtz (1821-1894) a dare una base teorica comune a tutte
queste osservazioni. Egli postulò che esso fosse generalizzabile a tutti i
fenomeni fisici, in quanto in ognuno di essi era identificabile una “forza di
tensione” (quella che poi venne chiamata energia potenziale) e una “forza viva”
(poi chiamata energia cinetica), la cui somma, considerando tutti i corpi che
prendevano parte al fenomeno, rimaneva comunque costante. Il denominatore comune
a tutti gli agenti naturali era dunque la loro capacità di produrre effetti
utili. E’ una capacità che si conserva, anche se talvolta si trasferisce a
movimenti che non sono osservabili a occhio nudo, ma riguardano le particelle
microscopiche di cui sono fatti i corpi, e che si rivelano solo come aumento di
temperatura dei corpi stessi. Questa capacità di produrre effetti utili o, come
si diceva, capacità di produrre lavoro, fu in seguito chiamata universalmente
energia.
Grazie a
queste intuizioni nel 1769, l’ingegnere scozzese James Watt (1736-1819) realizza in pratica la
prima moderna macchina a vapore.
In seguito nel 1851 Lord Kelvin, al
secolo William Thomson enuncia il secondo principio della termodinamica
concludendo che il calore è solo una forma di energia. Se si raffredda
abbastanza un oggetto, l’energia cinetica raggiunge il minimo cioè lo zero
assoluto di temperatura; nel 1879 il fisico austriaco Stefan accertò che ogni
corpo che possiede una temperatura maggiore rispetto all’ambiente che lo circonda
tende a perdere il calore tramite una radiazione aumentata alla quarta potenza
della temperatura assoluta. In precedenza Kirchhoff aveva dimostrato che se una
sostanza assorbe tutte le lunghezze d’onda della luce emetterà, se scaldata,
tutte le lunghezze d’onda.
Ma una
grossa scoperta si deve al fisico teorico Max Planck (1858-1947) .
Planck si
occupava di termodinamica ed era interessato all'emissione e assorbimento della
radiazione elettromagnetica da parte dei corpi riscaldati a una certa temperatura.
Aumentando la temperatura di un corpo, esso emette radiazione di lunghezza
d'onda sempre più piccola. Dalla luce emessa dal Sole è possibile dedurre che
la sua superficie ha una temperatura di circa 6000 °C. Insomma, a temperature
più elevate corrispondono radiazioni di frequenza più elevata (e quindi di
minore lunghezza d'onda).
L'obiettivo di Planck era spiegare questo fenomeno in
base all'ipotesi che la radiazione fosse emessa e assorbita dalle particelle
elementari cariche che formavano gli atomi dei corpi. Planck suppose che, a
mano a mano che aumentava la temperatura, l'energia del corpo si trasferisse a
particelle la cui frequenza di oscillazione fosse via via crescente. L'unico
modo di risolvere la questione era supporre che le particelle oscillanti
potessero assumere solo valori discreti di energia. Se una particella oscillava
con frequenza e, allora la sua energia doveva essere proporzionale a questa
frequenza e, nello stesso tempo, un multiplo intero di un “quanto” elementare
di energia, pari al valore di una costante fondamentale, che Planck designò con
la lettera h ,moltiplicato per la frequenza di oscillazione v. La formula di
Planck E = hv segna l'inizio, nel 1900, della fisica quantistica.
Le
conseguenze di questa assunzione erano sconvolgenti. Implicavano infatti che
ogni particella potesse variare la sua energia solo effettuando un “salto” da
un valore. Andava perduta una delle caratteristiche essenziali della
descrizione classica, ossia che le variazioni di energia potessero avvenire in
maniera continua.
GLI ELETTRONI
LA
DIVISIONE DELL’ELETTRICITÀ
Nel
frattempo si sviluppavano i primi esperimenti sull’elettricità: ad esempio
l’uso di potenti accumulatori di elettricità, come le cosiddette bottiglie di
Leida.
Una svolta
altrettanto importante fu prodotta dall’invenzione della pila elettrica da
parte di Alessandro Volta
(1745-1827). La pila di Volta segna infatti l’inizio dello studio della
corrente elettrica (le scariche elettriche che si studiavano in precedenza
erano fenomeni di durata brevissima) e dell’idea che i fenomeni chimici (la
pila è un congegno in cui avvengono reazioni chimiche) sono fenomeni in cui
l’elettricità gioca un ruolo essenziale.
Per
produrre il vuoto in cui potevano muoversi le correnti elettriche Geissler inventò,
nel 1855, una pompa pneumatica che grazie al mercurio asportava l’aria.
L'uso sistematico delle pompe per vuoto rese
possibile indagare la natura della scarica che si verificava in un gas una
volta che una differenza di potenziale sufficiente veniva prodotta tra il
catodo (l’elettrodo negativo) e l’anodo (l’elettrodo positivo). I fenomeni
osservati apparivano strani e pittoreschi. Si vedevano bande luminose
alternarsi a spazi scuri, e queste configurazioni variavano con la pressione
del gas. Ma un fenomeno particolarmente insolito si produceva allorché la
pressione del gas diventava molto bassa: la scarica nel gas cessava di essere
luminosa, ma una debole luminosità verdastra (come quella degli oggetti
fosforescenti) si produceva, all'interno del tubo, nella parte opposta al
catodo. Lo studio di questo fenomeno portò, già tra il 1870 e il 1880, a
ritenere che il catodo emettesse una nuova forma di radiazione che, quando
urtava il vetro del tubo a scarica, produceva effetti di fluorescenza. Erano
stati scoperti i raggi catodici .
Si apriva
una delicata questione: di che natura erano questi raggi?
L'inglese William Crookes (1832-1919)
iniziò una serie sistematica di osservazioni in base alle quali si poteva
supporre che i raggi catodici avessero una natura corpuscolare e fossero
composti di una materia molto “sottile”, addirittura più fine di quella degli
stessi gas. Il tedesco Philip Lenard (1862-1947), influenzato da Hertz, il quale non credeva
nella natura corpuscolare dell'elettricità, sosteneva che invece si trattava di
una nuova forma di radiazione, diversa da quella luminosa, che si propagava
nell’etere. Inconsapevolmente, Lenard favorì un’altra scoperta importante.
Volendo dimostrare che i raggi catodici potevano oltrepassare sottili lamine
metalliche (e quindi non potevano essere “materiali”), si accorse che
effettivamente una lamina metallica investita da raggi catodici emetteva una
strana forma di radiazione, che egli ritenne essere costituita da raggi
catodici “secondari”.
Fu
l'inglese Joseph John
Thomson (1856-1940) a
risolvere la questione. Egli dimostrò che i raggi catodici trasportavano carica
elettrica negativa e che venivano deflessi da campi elettrici e/o magnetici.
Non si trattava di radiazione eterea, ma di vere e proprie particelle cariche.
E Thomson giunse nel 1896 a misurare il rapporto tra la carica elettrica e la
massa di questi corpuscoli, rapporto che mostrava come questi fossero circa
duemila volte meno pesanti di un atomo di idrogeno. Thomson concluse di aver
trovato lo stato più elementare della materia, le particelle più piccole che la
possono comporre. Aveva scoperto l’elettrone.
I RAGGI X
Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
Studiò anche egli i raggi catodici, ma in particolare del loro effetto su certe
sostanze chimiche. Scoprì una radiazione di tipo particolare, con proprietà
diverse dai raggi catodici, una delle quali era estremamente affascinante: era
in grado di attraversare anche notevoli spessori di materia. Röntgen aveva
scoperto i raggi X. Nel 1912 Laue tentò di far passare i raggi X nel cristallo
di solfuro di zinco. E determinò che erano onde trasversali molto corte.
A questo
punto due membri della famiglia Bragg ( padre e figlio) calcolarono che la
lunghezza d’onda dei raggi X era fra 1/50 e 1/50000 di quella ella luce
visibile.
ELETTRONI
E ATOMI
Studiando
in quali soluzioni potesse passare la corrente elettrica Faraday aveva scoperto
che qualcosa presente nella soluzione portava le cariche in diverse direzioni.
Chiamò ioni i portatori di carica.
Ma nel 1883
Svante Arrhenius sviluppò una nuova teoria: la teoria della dissociazione
elettrolitica. Secondo cui un elettrolita messo in soluzione si scioglie,
dissociandosi in due ioni di carica elettrica opposta. Questi ioni carichi sono
sempre presenti in soluzione, muovendosi in modo disordinato. Quando la
soluzione è attraversata da corrente elettrica, cioè quando ai due poli della
cella elettrolitica viene creata una differenza di potenziale, gli ioni migrano
verso il polo di carica opposta.
Quattro anni dopo Hertz scoprì l’effetto
fotoelettrico, che consiste nell’emissione di elettroni (a quel tempo non
ancora conosciuti) da parte di una superficie metallica investita da una
radiazione elettromagnetica. Nel 1888 Hallwachs ipotizzò che tra gli atomi ci
fossero come delle compensazioni di elettroni e che quindi venissero espulsi
per rimediare alla mancanza.
La
soluzione fu data da Einstein : ampliò la teoria di Planck affermando che, non
solo i processi di assorbimento o emissione hanno luogo per quanti di energia
definita, ma anche la radiazione stessa si propaga nello spazio, localizzata in
granuli ( quanti di luce o fotoni). Così si spiega l’effetto fotoelettrico:
quando un raggio di luce incide su una superficie metallica, i fotoni collidono
con gli elettroni imprimendo loro un impulso che, se sufficientemente elevato,
può farli uscire dall’atomo. La teoria degli elettroni di Thomson si verificò:
gli elettroni non erano altro che le particelle fotoelettriche.
ELETTRONI E QUANTI
Lenard
studiando l’effetto fotoelettrico scoprì che la lunghezza d’onda influenzava
questo fenomeno (valore di soglia). Cioè la velocità degli elettroni dipende
dalla lunghezza d’onda, mentre l’intensità della luce influisce il numero degli
elettroni espulsi: il numero delle onde per secondo è chiamato frequenza ed è
inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda.
La teoria
quantistica venne in seguito studiata ed esposta da Einstein (v.sopra)
ONDE E PARTICELLE
Il quanto
di luce venne nominato fotone da Compton che aveva dimostrato che la radiazione
agiva come una particella.Un anno dopo, nel 1925 Louis de Broglie ipotizzò che
anche le particelle materiali, come gli elettroni, avessero una natura
ondulatoria. Questa teoria venne verificata dal fisico Davidsson. Nel 1927
vennero osservati i primi effetti di diffrazione e interferenza anche in un
fascio di elettroni. Dunque non solo la luce, ma tutta la materia aveva una
natura duale. Tutte le particelle elementari si comportano come onde o come
corpuscoli a seconda delle situazioni.
I NUCLEI
IL
SONDAGGIO DELL’ATOMO
Nel 1898 J.
J. Thomson fu il primo che suppose che l’atomo fosse formato da un certo numero
di elettroni in continuo movimento all’interno di una sfera di elettricità
positiva. Ma nel 1903, Lenard intuì che l’atomo fosse costituito da una nube di
minuscole particelle una positiva e una negativa che ruotavano una intorno
all’altra formando una coppia neutra. Nel 1904 Nagaoka formulò l’ipotesi che
gli elettroni ruotassero attorno a una particella centrale carica di
elettricità positiva. Ma come era possibile sondare l’interno dell’atomo?
Nel 1896
Henri Becquerel notò che una lastra fotografica si anneriva se posta nelle
vicinanze di un minerale contenente composti dell’uranio. Questi composti
dovevano emettere perciò radiazioni capaci di rilasciare energia all’interno
delle lastre impressionandole. Nel 1899 Pierre Curie e sua moglie Marie Curie
riuscirono a estrarre dal misterioso minerale la sostanza radioattiva
responsabile dello strano fenomeno, che fu battezzata radio. Un anno dopo Ernest
Rutherford classificò le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive in tre
gruppi: radiazioni alfa, beta e gamma. Rutherford osservò inoltre che gli atomi
che emettono radiazioni si trasformano in atomi diversi, cioè dotati di
proprietà chimiche diverse da quelle caratteristiche degli atomi di partenza.
Molti esperimenti furono svolti negli anni successivi allo scopo di individuare
la composizione dei tre tipi di radiazione. I loro risultati hanno portato a
concludere che la radiazione alfa è costituita da nuclei di elio (due protoni e
due neutroni), la radiazione beta da elettroni (o dalle loro antiparticelle, i
positroni) mentre la radiazione gamma è una radiazione elettromagnetica (e
quindi composta da fotoni) particolarmente energetica.
Nel 1911 Rutherford
concepì il modello di atomo che porta il suo nome: un “nucleo” contenente la
maggior parte della massa dell’atomo, carico di elettricità positiva e avente
un raggio più piccolo di quello atomico; attorno al nucleo un certo numero di
elettroni su orbite circolari.
Due anni
dopo Niels Bohr presentò la sua teoria sulla struttura dell’atomo. Essa
completava il modello di Rutherford e, soprattutto, spiegava i processi di
emissione e di assorbimento di fotoni da parte degli atomi di idrogeno.
La struttura
del nucleo divenne più chiara quando, nel 1932, James Chadwick scoprì il
neutrone, una particella avente circa la stessa massa del protone ma con carica
elettrica nulla. Si arrivò così all’ipotesi di Heisenberg (1901-1976) che i
nuclei atomici consistessero di protoni e di neutroni. Furono invece escluse
altre spiegazioni alternative, come quella secondo la quale i nuclei erano
composti da protoni e elettroni.
LE PARTICELLE CON CARICA POSITIVA
Nel 1920
Rutherford suggerì che, all’interno del nucleo, un protone potesse fondersi con
un elettrone in modo da formare un’unica particella neutra che egli chiamò
neutrone. Questa idea forniva una soluzione al problema rappresentato dalla
presenza di elettroni nel nucleo. Tuttavia fu subito chiaro che il neutrone non
poteva essere considerato il prodotto dell’aggregazione di un protone e di un
elettrone. In seguito alla scoperta dei neutroni, Heisenberg (nel 1932)
ipotizzò che il nucleo fosse costituito da Z protoni e da N neutroni.
Un'ipotesi, quella di Heisenberg, confermata da numerosi esperimenti. Anche se
rimangono tuttora da sviluppare alcuni aspetti della teoria, le tecniche
sperimentali sono così raffinate da aver fornito una grande quantità di
informazioni sulla struttura dei nuclei.
I NUMERI ATOMICI
Elettroni e protoni sono dotati di carica elettrica;
questa ha lo stesso valore per i due tipi di particelle ma è di segno opposto
(negativa nei primi e positiva nei secondi). Il nucleo, in virtù della presenza
dei protoni, risulta carico positivamente e per questo motivo attrae gli
elettroni carichi di elettricità negativa. Poiché elettroni e protoni sono
dotati della stessa quantità di carica, anche se di segno opposto, e poiché
l’atomo nel suo complesso è elettricamente neutro, in ogni atomo ci deve essere
un numero uguale di elettroni e protoni. La neutralità della carica elettrica
dell’atomo rappresenta la situazione di normalità; tuttavia, particolari
condizioni fisiche (per esempio quelle che si verificano all'interno delle
stelle) possono alterare l’equilibrio. In tal caso, in un atomo il numero di
elettroni differisce dal numero Z di protoni; l’atomo quindi non è più
elettricamente neutro e prende il nome di ione.
I neutroni, come suggerisce il loro nome, hanno
carica nulla e perciò non influiscono sul comportamento “elettrico” dell’atomo.
Contribuiscono invece, e in modo rilevante, al suo peso. Infatti un neutrone,
così come un protone, pesa quasi quanto duemila elettroni. Questo significa che
tutto il peso dell’atomo è praticamente concentrato nel nucleo mentre il
contributo degli elettroni risulta trascurabile.
La quantità di protoni presente nel nucleo di un
atomo è indicata da un numero atomico. Negli atomi elettricamente neutri,
questo numero rappresenta anche il numero di elettroni. Il numero atomico è
fondamentale per la classificazione dei diversi elementi chimici: al suo
crescere si passa da atomi semplici come l'idrogeno e l'elio (il cui numero
atomico vale rispettivamente 1 e 2) ad atomi complessi e rari come il laurenzio
(di numero atomico 103).
Per conoscere il peso di un atomo, oltre al numero di
protoni, bisogna conoscere il numero di neutroni. La somma del numero di
neutroni e del numero di protoni si chiama numero di massa; il quale indica
quante particelle ci sono nel nucleo e quanto pesa l'atomo ( gli elettroni sono
particelle di peso trascurabile rispetto agli altri costituenti dell'atomo).
LINEE SPETTRALI
Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr (1885-1962)
concepì un modello capace di conciliare il concetto di nucleo con la stabilità
degli atomi. Era però un modello che sfidava il senso comune e le leggi
dell’elettrodinamica.
Secondo il modello di Bohr, non tutte le orbite
circolari sono permesse. Gli elettroni possono muoversi solo su quelle che
hanno una distanza dal nucleo ben definita. Quando si muove lungo una di queste
orbite, l’elettrone non emette onde elettromagnetiche e non perde quindi
energia. A ogni orbita è associato un valore per l’energia dell’elettrone. Più
grande è il raggio dell’orbita, maggiore è l’energia della particella che la
percorre. Il passaggio da un’orbita a una di raggio maggiore può avvenire se
l’elettrone assorbe una quantità discreta di energia (un quanto), pari alla
differenza tra le energie delle due orbite. La quantità discreta di energia
assorbita dall'elettrone si presenta sotto forma di fotone, la particella che
“trasporta” la radiazione elettromagnetica. Viceversa, si ha l’emissione di un
fotone se l’elettrone si trasferisce da un’orbita più esterna a una più
interna.
Questo meccanismo proposto da Bohr era in grado di
spiegare le caratteristiche principali delle righe spettrali (serie spettrali)
dell'atomo di idrogeno e questo fatto contribuì al successo del modello. Si
presentano allora fenomeni fisici interpretabili solo dalla teoria della relatività
ristretta elaborata da Albert Einstein (1879-1955)
GLI ISOTOPI
L’ENERGIA NUCLEARE
Ma le scoperte riguardanti il mondo microscopico non
finivano qui. Pochi mesi dopo la scoperta di Röntgen, Henri Becquerel (1852-1908) osservò le radiazioni
emesse da composti dell'uranio. Marie Curie
(1867-1934) e suo marito Pierre Curie
(1859-1906) individuarono poco dopo altri elementi che emettevano forme
di radiazione simili, il polonio e il radio (da cui il nome
"radioattività").
VARIETA’ NUCLEARI
Nel susseguirsi del Novecento gli studiosi riuscirono
a scoprire che purificando alcuni elementi che sembravano radioattivi si
arrivava invece ad un elemento non radioattivo (disintegrazione
radioattiva). Per esempio purificando elementi
come l’uranio o il torio alla fine si ottenevano metalli non radioattivi che
dopo qualche tempo riacquistavano la loro radioattività. Inseguito si
scoprirono gli elementi intermedi delle disintegrazioni (come il polonio e il
radio) e si poté costatare che dopo molti cambiamenti sia l’uranio sia il torio
diventavano piombo non radioattivo.
Un chimico che aveva partecipato a queste scoperte,
Soddy, nel 1902 pensò che nella tavola periodica dovevano apparire questi
elementi: possedevano proprietà radioattive diverse, ma lo stesso numero atomico
e le stesse proprietà chimiche. Li chiamò isotopi.
TEMPO DI DIMEZZAMENTO
Continuando gli studi si notò che alcuni elementi con
il passare del tempo perdono le loro proprietà chimiche. Ad esempio il radio ha
una semitrasformazione ogni 1620. Passa al radon che si muta in polonio;
l’ultimo stadio è il piombo che non si muta ulteriormente .Questo fenomeno
venne chiamato tempo di dimezzamento ed oggi ha trovato molte applicazioni
soprattutto nel campo della datazione dei fossili.
I NEUTRONI
PROTONI ED ELETTRONI
Il fatto
che alcuni nuclei atomici radioattivi emettano raggi alfa e beta, entrambi di
natura corpuscolare, suggerisce l’idea che essi siano costituiti da particelle.
Nel 1816 Prout aveva notato che tutti gli atomi allora conosciuti avevano un peso
approssimativamente uguale a un numero intero di volte il peso atomico
dell’idrogeno. Questo fatto suggerì l'ipotesi che tutti i nuclei fossero
aggregati di nuclei di idrogeno. Ipotesi che venne scartata quando ci si
accorse che esistevano pesi atomici frazionari, come quello del cloro (35,48) e
del boro (10,81).
In realtà
la maggior parte degli elementi chimici esistenti in natura è costituita da
miscele di isotopi. Si spiegò così la presenza di pesi atomici frazionari.
Intorno al
1920 fu possibile accertare che non esisteva alcun componente nucleare di
carica positiva che fosse più leggero del nucleo dell’idrogeno. Si arrivò
allora alla conclusione che il costituente fondamentale dei nuclei atomici
fosse il nucleo dell’idrogeno, che fu detto protone.
Per
giustificare la neutralità elettrica degli atomi si suppose che in un atomo
dotato di un certo numero di protoni dovessero esserci anche lo stesso numero
di elettroni.
Il
fallimento della ipotesi protone-elettrone fu dovuto alla scoperta di una
proprietà del nucleo fino ad allora sconosciuta, lo spin. Lo spin è una
caratteristica intrinseca delle particelle. La rotazione (spin) della carica
elettrica genera un momento magnetico. Anche il nucleo, come l'elettrone, è
dotato di spin. Ma il nucleo non è una particella elementare; è un aggregato di
particelle e quindi il suo spin risulta essere la somma degli spin e dei
momenti angolari orbitali dei suoi costituenti. Ebbene se davvero i nuclei
fossero fatti di protoni e di elettroni i loro spin dovrebbero essere ben
diversi da quelli che si misurano. Contro l'esistenza di elettroni nel nucleo
intervengono anche considerazioni di meccanica quantistica relativistica che si
ispirano al principio di indeterminazione di Heisenberg. Si può dimostrare
infatti, in base a tale principio, che è impossibile costringere un elettrone a
rimanere in una regione di spazio grande quanto il nucleo di un atomo.
LE REAZIONI NUCLEARI
Nel 1919 Rutherford inventò il contatore a
scintillazione: quando le particelle urtano contro uno schermo, o penetrano in
un serbatoio di liquido, emettono lampi di luce che possono venire captate e
contate. Grazie a questo strumento ipotizzò che una particella alfa andando a
collidere con un nucleo d’azoto riusciva a strappare un protone dal nucleo e
causava la scintilla. Perciò Rutherford fu il primo a effettuare in laboratorio
una reazione nucleare: era riuscito a produrre la trasformazione di un elemento
in un altro (azoto in ossigeno).
GLI
ISOTOPI ARTIFICIALI
Rutherford aveva dimostrato che i nuclei stabili
possono essere spezzati.
Nel 1934 i
fisici francesi Frédéric e Irène Joliot-Curie notarono che l’alluminio , quando
è bombardato da particelle alfa, si trasforma in un nuovo isotopo del fosforo.
Questo isotopo non si trova in natura ed è radioattivo. Tale scoperta dimostrò
per la prima volta che è possibile trasformare un elemento stabile in un
isotopo radioattivo, bombardandolo con particelle nucleari.
Questa
tremenda applicazione tecnologica sarebbe stata il culmine della ricerca in
fisica nucleare, iniziata nei primi anni Trenta. In questo campo si
manifestarono appieno le geniali capacità di Enrico Fermi e del gruppo di
giovani fisici che venne riunito presso l’università di Roma.
Nel 1932 James
Chadwick risolve
sperimentalmente la questione della struttura del nucleo atomico accertando
l’esistenza di particelle neutre di massa all’incirca uguale a quella dei
protoni, i neutroni. Da allora, Fermi e
i suoi collaboratori Emilio Segrè,
Franco Rasetti, Edoardo Amaldi, coadiuvati
dal teorico Ettore Majorana, cominciano a lavorare sulla
radioattività, vista come manifestazione di fenomeni nucleari. La loro scoperta
fondamentale avviene nel 1934, quando essi riescono a rendere radioattive
determinate sostanze, bombardandole con neutroni di bassa energia.
Il nucleo
poteva essere reso instabile e addirittura modificato dall’uomo. Quest’ultimo
aspetto sembrava realizzare il sogno degli antichi alchimisti: e infatti molti
fisici, compresi gli italiani, si dedicarono alla produzione di elementi
chimici “artificiali”.
Ma era
l’instabilità l’aspetto più importante della ricerca. In effetti, nel 1938, Otto
Hahn e Fritz
Strassmann osservarono che
un nucleo di uranio bombardato da neutroni si scinde in due nuclei di elementi
più leggeri. Era stata scoperta la fissione nucleare. Peraltro, il processo
comportava la liberazione di un’enorme quantità di energia. L'importanza, anche
militare, della scoperta fu notata quasi subito, in particolare da Einstein. Fu
così che, quando gli Stati Uniti entrarono in guerra, partì il progetto
Manhattan che avrebbe portato alla scoperta dei metodi di utilizzazione
dell’energia nucleare. In particolare, fu lo stesso Fermi, nel frattempo
emigrato in America per motivi politici, a realizzare nel 1942 la prima pila
atomica.
LE DISINTEGRAZIONI
LA
FISSIONE NUCLEARE
L’energia
liberata durante la fissione è dovuta alla trasformazione di parte della massa
del nucleo iniziale; infatti i prodotti della reazione hanno una massa
complessiva leggermente inferiore a quella del nucleo che è stato scisso. La
parte mancante è liberata sotto forma di energia, secondo la relazione di
Einstein E = mc2.(difetto di massa).
I nuclei
vivono in una situazione di equilibrio dovuta alla contrapposizione tra le
forze elettrostatiche repulsive che si esercitano tra i protoni e quelle (molto
intense ma di breve raggio di azione) forze nucleari forti attrattive che si
esercitano tra tutti i nucleoni. Se l’equilibrio è precario, come accade in
alcuni nuclei pesanti, è sufficiente fornire dall’esterno un’opportuna quantità
di energia per alterarlo e generare la rottura del nucleo in due o tre parti.
I nuclei
caratterizzati da grandi valori del numero di massa sono costituiti da un
numero di neutroni che supera di molto il numero di protoni. Quando avviene la
loro fissione si originano nuclei più leggeri, nei quali sono ripartiti i
protoni e i neutroni dei nuclei iniziali. I nuovi nuclei però, avendo un numero
assai più basso, hanno bisogno di meno neutroni per essere stabili: contengono
insomma una quantità di neutroni troppo elevata. Per questo motivo i prodotti
delle fissioni risultano instabili. Tuttavia raggiungono la stabilità grazie a
una serie di decadimenti beta che trasformano i neutroni in eccesso in protoni.
La radioattività che si registra durante i processi di fissione deriva
principalmente dalla trasformazione di neutroni in protoni e viceversa.
Può
succedere che all'atto della scissione venga emesso qualcuno (2 o 3) dei
neutroni in eccesso; è questo il fenomeno su cui si basano le reazioni a
catena: si fa in modo che la fissione di un nucleo produca neutroni liberi, i
quali a loro volta, urtando altri nuclei simili al primo, innescano ulteriori
processi di fissione. Ogni fissione libera una quantità relativamente piccola
di energia, ma una volta innescata la reazione a catena si sommano i contributi
di miliardi di processi contemporanei.
FUSIONE
La fusione
nucleare è un altro dei processi di trasformazione dei nuclei. E’’, tra
l’altro, il processo che tiene in vita le stelle e quindi, indirettamente,
tutti gli esseri viventi che beneficiano dell’energia irradiata dal Sole.
Due nuclei
atomici si fondono se urtano uno contro l’altro avendo velocità sufficiente a
vincere la repulsione elettrostatica che si esercita tra i protoni di cui sono
composti. Per questo motivo è più probabile che la fusione avvenga tra nuclei
leggeri, i cui pochi protoni si respingono con un’intensità relativamente
bassa. Il risultato del processo è un nuovo nucleo, in genere più leggero della
somma dei due nuclei di partenza. La massa mancante, anche in questo caso, si
trasforma in energia e viene rilasciata sotto forma di raggi gamma e neutrini.
Spesso si
parla di fusione termonucleare in quanto per poter innescare reazioni di questo
tipo occorrono temperature elevatissime, spesso esistenti solo all'interno
delle stelle.
Si deve
considerare però che il combustibile usato (l'idrogeno) è uno degli elementi
più abbondanti in natura. Inoltre, aspetto non secondario ai fini dello
sfruttamento per la produzione di energia da parte dell'uomo, la fusione
nucleare, al contrario della fissione, non dà luogo a scorie radioattive.
Per questi
motivi la fusione nucleare è vista come la possibile e definitiva soluzione al
problema dell'approvvigionamento energetico. Tuttavia le condizioni per
ottenere la fusione sono assai più complesse da raggiungere rispetto a quelle
caratteristiche della fissione. I nuclei candidati alla fusione devono muoversi
con velocità tali da vincere le reciproche repulsioni elettrostatiche.
Imprimere velocità elevate ai nuclei significa portare la materia in cui sono
contenuti a temperature elevatissime.
L’ANTIMATERIA
LE
ANTIPARTICELLE
La meccanica quantistica aveva teoricamente previsto,
per ogni particella elementare, l’esistenza di un’antiparticella; sperimentalmente
nel 1932 è stato scoperto l’antielettrone ( elettrone positivo o positrone) e
soltanto nel 1956 l’antiprotone( cioè il protone con carica negativa). In
pratica l’antiparticella consiste in una particella elementare avente massa
uguale , ma altre caratteristiche proprie (per esempio la carica) opposte a
quelle di particelle più comuni.
Nel nostro
mondo fisico le particelle sono di gran lunga più numerose delle
antiparticelle, e ci comporta che la vita media di queste ultime sia
brevissima; infatti quando particella e antiparticella si incontrano, avviene
il fenomeno dell’annichilazione, cioè entrambe scompaiono e l’energia
corrispondente alla loro massa si manifesta sotto altra forma (per esempio con
formazione di due fotoni nel caso dell’incontro elettrone-positrone).
I RAGGI COSMICI
La
radiazione cosmica venne scoperta al livello del mare con un elettroscopio da
V. Hess e studiata poi sia in quota, sia sott’acqua e in miniera.
I raggi
cosmici fasci di particelle elementari di energia elevatissima, composti per il
2% di elettroni e positroni e per il 98% di nucleoni. Nonostante la densità dei
raggi cosmici sia trascurabile rispetto a quella del gas interstellare,
l’irraggiamento cosmico gioca un ruolo essenziale nel bilancio energetico della
Galassia. Le grandi quantità di energia trasportate dai raggi cosmici sono
paragonabili infatti a quelle irradiate dalle stelle.
Ma le
sorprese non erano finite. Proprio analizzando il comportamento statistico
degli elettroni, Dirac era giunto alla conclusione che non vi era nulla nella
teoria che impedisse a tali particelle di occupare stati di energia negativa.
Bisognava anzi pensare che tali stati, essendo di energia più bassa di quelli
di energia positiva, fossero tutti già normalmente occupati. In realtà, secondo
Dirac, noi rileviamo sperimentalmente solo gli elettroni che ricevono energia
sufficiente a passare da uno stato di energia negativa a uno stato di energia
positiva. Nel 1932 Carl David Anderson (1905-1991) rivelò una particella che aveva la
stessa massa dell’elettrone, ma carica opposta. Era stato scoperto il
positrone.
GLI
ACCELERATORI DI PARTICELLE
Gli acceleratori di particelle
sono uno strumento indispensabile per le ricerche sperimentali sulle reazioni
nucleari, sulla struttura dei nuclei e per lo studio delle particelle
elementari. Il primo acceleratore fu ideato nel 1929 da Cockcroft e Walton. In
seguito ne furono creati di altri tipi come il ciclotrone, sempre più grandi e
potenti. Grazie a questi nel 1955 Segrè riuscì ad individuare gli antiprotoni.
In un acceleratore le particelle
accelerate producono energia, e sono dette proiettili; mentre gli atomi o i
nuclei su cui si fanno convergere costituiscono il bersaglio. Le particelle
cariche in uscita dall’acceleratore colpendo il bersaglio possono produrre
particelle neutre, in particolare raggi gamma e neutroni; il bersaglio diventa
in tal modo a sua volta, una sorgente di raggi gamma o di neutroni.
I BARIONI
Le particelle elementari possono
essere raggruppati in tre classi: bosoni privi di massa che sono i quanti dei
due campi ( gravitazionale ed elettromagnetico); leptoni cioè fermioni che
hanno interazioni con i due campi e interazioni deboli, e che comprendono gli
elettroni e i neutrini; adroni suddivisi in barioni, che comprendono protoni, neutroni
e gli iperoni.
I NEUTRINI
AL SALVATAGGIO DELLE
LEGGI DI CONSERVAZIONE
Nel 1920 la legge
della conservazione dell’energia non sembrava più vera: non la soddisfava
l’emissione di particelle beta. Nel 1930 Pauli salvò la situazione: scoprì il
neutrone, una particella elettricamente neutra e pesante, capace di strappare i
protoni dai nuclei. Anche Fermi studiò questa particella e la nominò neutrino.
Il decadimento beta è uno dei
fenomeni più importanti nella fisica nucleare: corrisponde alla trasformazione
di un neutrone in un protone oppure, e in tal caso si parla di decadimento beta
inverso, alla trasformazione di un protone in un neutrone. Quando un neutrone
si trasforma in un protone, il decadimento è accompagnato dalla emissione di un
elettrone e di un antineutrino (l'antiparticella del neutrino); la presenza
dell'elettrone garantisce che la carica elettrica del sistema rimanga
inalterata prima e dopo il processo. Quando invece si ha la trasformazione di
un protone in un neutrone, vengono emessi un neutrino e un positrone (un
elettrone di carica positiva).
LEPTONI
i leptoni
hanno una massa relativamente piccola. I leptoni si presentano come oggetti
indivisibili, privi di struttura interna. Sono cioè particelle elementari.
Hanno tutti spin 1/2 e rientrano perciò nella categoria dei fermioni. Inoltre
possono avere carica elettrica o esserne privi. Il primo leptone a essere stato
scoperto è l'elettrone.
Un secondo
leptone è il neutrino. Il nome comunica immediatamente due sue caratteristiche
importanti, la leggerezza e l'assenza di carica elettrica. I neutrini non sono
soggetti all'interazione forte e all'interazione elettromagnetica, le
interazioni che tengono insieme rispettivamente i nuclei e gli atomi. Ecco
perché un neutrino può attraversare indisturbato spessi strati di materia. La
massa del neutrino ha certamente un valore molto piccolo, se confrontato con
quello delle altre particelle elementari. Un valore che non dovrebbe
discostarsi di molto dallo zero.
I neutrini
non sono tutti dello stesso tipo. Esistono il neutrino elettronico, il neutrino
muonico e il neutrino tauonico. Pur essendo molto simili si presentano in
situazioni diverse perché corrispondono ai tre diversi leptoni carichi. Così il
neutrino elettronico compare quando, per esempio nel corso di un decadimento
beta, viene generato un elettrone; analogamente gli altri tipi di neutrini
accompagnano la creazione di muoni.
Un altro
leptone è il mesone o muone. Assomiglia molto all’elettrone: ha la stessa
carica elettrica, lo stesso spin ed è soggetto alle stesse interazioni. Ha però
una massa maggiore ed è una particella instabile: la sua esistenza, quando è in
quiete, dura solo due milionesimi di secondo. Trascorso questo intervallo di
tempo si trasforma in un elettrone e in una coppia di neutrini.
LE
PARTICELLE INSTABILI
Alcune
particelle sono stabili e altre instabili. Le particelle stabili sono i
protoni, i neutroni, gli elettroni, i neutrini, i fotoni. Le particelle
instabili devono essere studiate entro breve tempo dalla loro produzione,
realizzata per l’urto di una particella a energia elevata contro un’altra
particella. In natura esistono particelle di elevata energia nei raggi cosmici,
ma il loro flusso è basso e quindi la maggior parte delle ricerche viene svolta
sulle particelle elementari prodotte negli acceleratori di particelle.
INTERAZIONI
L’INTERAZIONE
FORTE
Le interazioni forti sono responsabili dell'esistenza
dei nuclei atomici e pertanto, in ultima istanza, della materia di cui siamo
costituiti.
Dalle fondamentali esperienze di Ernest Rutherford
(1871-1937) sulla diffusione di particelle alfa, risultò l'evidenza empirica
che all'interno dell'atomo si trova un nocciolo duro che prende il nome di
nucleo. Lo stesso Rutherford presentò l'evidenza sperimentale che i nuclei atomici
sono dotati di struttura interna.
A parte il nucleo dell'atomo di idrogeno, che
contiene un solo protone, all'interno di tutti gli altri nuclei coesistono più
protoni. Questo significa che essi devono essere tenuti insieme da forze
attrattive di intensità più elevata della repulsione elettrostatica e di natura
differente: le interazioni forti.
Per poter trasformare un elemento chimico in un altro
dobbiamo cambiare la sua struttura nucleare, operazione che richiede, a causa
della grande intensità delle interazioni forti, molta più energia di quanta sia
necessaria per provocare una reazione chimica.
La meccanica quantistica associa a ogni campo di
forze una particella. Questo fatto portò il fisico giapponese Hideki Yukawa
(1907-1981) a ipotizzare l'esistenza di un quanto relativo alla propagazione
delle forze nucleari. La massa di questa particella può venire dedotta dal
raggio di azione delle forze nucleari e risulta essere intermedia tra quella
del protone e quella dell'elettrone. Le fu pertanto assegnato il nome di
mesone. Sono state scoperte numerose altre particelle che interagiscono con
intensità e raggio d'azione paragonabili a quelle dell'interazione nucleare. A
queste particelle è stato dato il nome generico di adroni.
INTERAZIONI
DEBOLI
Come le interazioni forti, anche le interazioni
deboli furono scoperte nello studio del nucleo atomico. Il loro nome deriva dal
fatto che si tratta di interazioni di intensità molto bassa e quindi causano
processi che si svolgono lentamente, sulla scala dei tempi caratteristici della
microfisica. Esse furono osservate dapprima nei fenomeni radioattivi, in cui il
numero atomico di un elemento può mutare spontaneamente, trasformando così un
atomo di un elemento chimico in uno diverso.
Tale processo fu descritto da Enrico Fermi
(1901-1954) tramite una famosa teoria che porta il suo nome (antineutrino
elettronico). Tale particella partecipa essenzialmente solo alle interazioni)
ed è dunque molto difficile da rilevare sperimentalmente. Infatti, data la sua
debolissima interazione, essa attraversa facilmente grandi quantità di materia
senza lasciare alcuna traccia. Per poter osservare i neutrini (o gli
antineutrini) è necessario produrne una grande quantità, ciò che è possibile
nei moderni acceleratori di particelle, facendoli poi passare attraverso grandi
quantità di materia.
Facendo riferimento alla intensità relativa delle
interazioni si nota la grande disparità tra deboli ed elettromagnetiche. Nel
1968, Sheldon Glashow (1933), Abdus Salam (1926) e Steven Weinberg (1933)
proposero un modello che unificava questi tipi di interazioni, prevedendo, fra
l'altro, l'esistenza di nuove particelle, molto pesanti, quali mediatori
(campi) delle interazioni deboli. Le previsioni di questo modello unificato
delle interazioni elettrodeboli sono state confermate sperimentalmente a grandi
livelli di precisione, tanto che oggi il modello proposto da Weinberg e Salam
ha assunto la denominazione di Modello Standard. Le nuove particelle, previste
e osservate sperimentalmente sono denominate "bosoni intermedi".
I QUARK
Se si ordinano gli adroni noti in base alla loro
massa, alla carica elettrica e allo spin, emergono simmetrie che lasciano
intravedere l'esistenza di relazioni tra le varie particelle. Finché non è
stata proposta una teoria secondo la quale ogni adrone è costituito da due
oppure tre particelle più piccole: i quark.
Per
giustificare l'esistenza di tanti adroni diversi furono introdotti tre tipi di
quark: i quark su (u dall'inglese up), giù (d da down), strani (s
da strange).
La
struttura a quark degli adroni fa luce su molti fenomeni della fisica
subnucleare. Per esempio è possibile descrivere il decadimento beta di un
neutrone in termini di trasformazioni di quark. Ricordiamo che gli adroni, e
dunque i quark che li compongono, si distinguono per essere soggetti
all'interazione forte. Tuttavia sono sensibili anche all'interazione debole,
quella responsabile del decadimento beta. In questo processo un neutrone si
trasforma in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino.
L’UNIVERSO
L'universo
è oggetto di studio della cosmologia. La moderna cosmologia fa uso di telescopi
sempre più sofisticati, di satelliti e antenne radio, che permettono di
ricostruire la storia e la geografia dell’universo. Secondo le stime degli astronomi
nell'universo ci sono almeno 100 miliardi di galassie, contenenti ciascuna
centinaia di miliardi di stelle. Le galassie non sono distribuite a caso, ma
raggruppate in ammassi e superammassi di galassie separati da enormi spazi
vuoti. Le galassie lontane si stanno allontanando da noi: questo significa che
l'universo si sta espandendo. Se si potesse tornare indietro nel tempo, le
galassie si riavvicinerebbero, fino a sovrapporsi. L’universo, dunque, ha avuto
un principio in cui tutta la materia era compressa.
Secondo gli
scienziati questo momento risale ad almeno 15 miliardi di anni fa: tutto
sarebbe iniziato con una grande esplosione, detta Big Bang. A quel tempo
l’universo doveva essere una specie di “palla di fuoco” estremamente calda e
densa, e quindi assomigliare all’interno di una stella. Da questa condizione
iniziale l'universo ha iniziato a espandersi e a raffreddarsi. Solo un milione
di anni dopo il Big Bang si sono formati i primi atomi e la materia che noi
conosciamo ha cominciato ad aggregarsi sotto l'azione della gravità. Circa un
miliardo di anni dopo sono nate le galassie, poi le stelle, i pianeti e il
mondo che conosciamo.
Quanto è
grande l’universo? Di quale materia è costituito? Quale sarà la sua fine?
A queste e
ad altre domande tentano di rispondere gli scienziati che si occupano di
cosmologia e che ancora oggi non sanno darci delle certezze.
