Müller Thomas
Il modello standard. Il nucleo atomico
Gio, 12/07/2007 - 16:58 — michele_bonaventuraAutore:
Müller Thomas
Diceva Democrito che tutto è composto di atomi.
Oggi sappiamo che anche estendo il concetto di atomo a quell’entità unica e indivisibile cui il nostro faceva riferimento (e che quindi meglio descrive il quark) mancano alcuni elementi importanti.
La fisica sembra piuttosto reggersi su di un vago dualismo, materia e energia, o se si preferisce particella e radiazione, anche se appare incerta la linea di confine tra i due mondi.
La figura di atomo è tuttavia centrale nell’immaginario collettivo, solitamente associata al modello tipo “sistema planetario” in cui molti e numerosi elettroni, simili a piccolissimi satelliti, orbitano intorno ad un nucleo.
L’immagine, è ormai chiaro da molti anni, non è che un timido abbozzo di una realtà infinitamente più complessa.
A partire dalle dimensioni di un atomo, dell’ordine di un decimo di miliardesimo di metro, dominano le leggi della fisica quantistica, con fenomeni di sconcertante irrealtà e con seri problemi di intelligibilità delle leggi stesse.
Il nucleo atomico – di cui ci interessiamo qui di seguito – è circa 10000-100000 volte più piccolo dell’atomo. Una dimensione così modesta non può essere osservata da nessun microscopio, nemmeno elettronico; per conoscere qualcosa del nucleo, l’unico sistema efficace sono i fenomeni di scattering. Si tratta in sostanza di sparare particelle (come gli elettroni) contro un nucleo atomico e di studiare cosa ne viene fuori e come.
È come se per leggere un libro ci lanciassimo contro una granata e poi cercassimo di raccogliere i frammenti di pagine sparsi ovunque e decifrarne il contenuto. Fa un po’ Cosmic bandidos.
La conseguenza principale e che non sappiamo granché del nucleo atomico.
Possiamo misurarne la massa (la massa di un atomo è quasi tutta nel nucleo) e conoscere ad esempio il numero di protoni e di neutroni in esso contenuto.
I protoni e i neutroni sono particelle molto simili, hanno massa quasi identica e medesimo spin, ma il protone ha carica positiva, mentre il neutrone non ha carica affatto.
Se separati dal nucleo atomico, i neutroni hanno un tempo di semivita[1] (per ragioni a me ignote wikipedia scrive emivita), di circa 15 min., sono cioè instabili, mentre i protoni hanno un tempo di semivita di vari ordini di grandezza superiore all’età dell’universo.
All’interno del nucleo invece entrambe le particelle sono perfettamente stabili.
È stato suggerito, a causa delle analogie esistenti tra protone e neutrone, che esse possano essere pensate come una sola particella, il nucleone, in due “stati di eccitazione” diversi; lo stato in questione si chiama isospin.
In questo modello del nucleo atomico protoni e neutroni continuano a scambiarsi di ruolo, trasformandosi uno nell’altro.
Il principale mistero del nucleo atomico è la sua stabilità: infatti un gruppo di particelle positive e neutre come protoni e neutroni dovrebbe disfarsi spontaneamente per repulsione elettrica.
Per spiegare la compattezza del nucleo il fisico italiano Enrico Fermi, teorizzò l’esistenza di una forza nucleare forte, in grado di esercitare un’attrazione tra nucleoni a corta distanza, ma che scompare a distanze più lunghe.
Oggi la forza nucleare forte è considerata un mattone portante del modello standard: essa è responsabile non soltanto della coesione del nucleo atomico ma anche di quella dei quark.
In pratica questa forza risulta essere estremamente importante per i quark, tenendoli saldamente incollati, mentre è già meno attiva a livello del nucleo atomico; infine per distanze più grandi come quella elettrone-nucleo è completamente trascurabile.
Il risultato più importante di questa differenza tra attrazione a distanza quark e a distanza nucleo è che per nuclei molto grossi – come ad esempio l’uranio – la forza forte non basta a contrastare la repulsione elettrica. Il nucleo diventa instabile ed espelle alcuni elementi. È il fenomeno della radioattività.
La forza forte, come tutte le forze elementari, è trasportata da una particella che si chiama gluone. Abbiamo già incontrato la particella responsabile dell’elettromagnetismo, il fotone.
Il gluone è molto più complesso del fotone; in particolare ce ne sono otto diversi. Inoltre il fotone non è sensibile alla forza che trasporta, l’elettromagnetismo, poiché ha carica elettrica neutra.
Per analogia con l’elettricità esiste anche una “carica della forza forte” che si chiama colore.
La carica elettrica può essere positiva o negativa, due tipologie, mentre la carica di colore può essere rossa verde o blù, antirossa, antiverde e antiblù, sei tipologie[2]..
Sia i quark che i gluoni hanno carica di colore. Quando un quark scambia un gluone con un altro cambia colore; il gluone trasporta quindi l’informazione di colore da un quark di origine ad un altro e deve sempre contenere due colori, quello del quark da cui proviene e quello che vuole fornire al quark verso cui va.
A complicare lo schema si aggiunge il fatto che il gluone portatore può interagire con altri gluoni formando delle glueball e rendendo lo studio matematico un vero rompicapo.
In definitiva la tabella seguente riassume l’analogia tra forza elettrica e forza forte.
Come nel caso della forza elettrica esistono delle combinazioni tra cariche; ad esempio carica + con carica – dà carica 0.
Esiste qualcosa di simile ma più complicato per i gluoni
Le regole matematiche sul comportamento dei gluoni e della forza forte non sono argomento che si possa affrontare con semplicità; sono generalmente conosciute come cromodinamica quantistica.
Bibliografia
http://it.wikipedia.org/wiki/Neutrone
[1] Il tempo di semivita è quello in cui metà delle particelle appartenenti ad un campione si trasformano spontaneamente in altro. Quindi possiamo dire che 100 neutroni isolati si riducono della metà in 15 minuti, oppure che un neutrone ha una possibilità su due di disintegrarsi ogni quindici minuti.
[2] Naturalmente i colori dei quark non hanno nulla a che vedere con i colori che percepiamo né tantomeno con la lunghezza d’onda della luce. Questo è piuttosto ovvio dato che la lunghezza d’onda della luce ha, rispetto ad un nucleo atomico, la taglia del sistema solare rispetto a un cane bassotto in groppa ad un alano (la compressione elastica dell'alano è trascurabile).
tm
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Commenti
Ecco fatto.
Ora penso mi dedicherò a qualcosa di nuovo, magari un po' di cosmologia, bariogenesi magari.
E pensavo a qualche recensione di fantasy, ma è da vedere.
E vai, a esaudire i dubbi post Cosmic Bandidos:)
Noto che la tabella è tutta sfasata; chissà perché, nell'anteprima si vede benissimo.
Meglio come immagine jpg
e vabbé ma qui le domanda fioccano.
e le altre forze elementari? la nucleare forte?
e la gravità? notizie del fantomatico gravitone? sempre latitante?
poi poi poi. come raggruppare tutte queste forze? non si è meca tentato di farlo più volte? se ci si riuscisse cosa ne deriverebbe?
quali buchi nella teoria? non dicevi altrove che la teoria standard è in crisi? se questo è un mattone fondamentale cosa devo dedurne?
ora basta se no troppa carne al fuoco...
p.s. hai dentro una parte ripetuta nel testo...
La nucleare forte è proprio quella che ho spiegato in questo testo. Manca la forza nucleare debole, repsonsabile della radiazione tipo beta.
La gravità è una faccenda delicata perché a propriamente parlare non è una forza come le altre. Il gravitone è una stronzata e non esiste; è stato appiccicato lì cercando di linearizzare la teoria della relatività generale e poi quantizzarla. Non è una particella vera.
Unificare le quattro forze significa costruire una teoria con una sola "forza" che si comporti in quattro sottocasi come le quattro che conosciamo. Ne deriverebbe una teoria universale capace di descrivere qualsiasi fenomeno, comprese le situazioni di "confine" tra varie teorie.
La "crisi" del modello standard stà nel numero insufficiente di oggetti contenuto. Mancano alcune particelle che sappiamo esistere ma che non fanno parte del modello standard, i neutrini destrorsi.
È un argomento che non influenza di certo la struttura del nucleo atomico.