Struttura del nucleo: particelle e forze
La struttura del nucleo atomico è una scoperta recente che risale al XIX secolo grazie all’evoluzione delle teorie scientifiche. Prima di allora, l’atomo era considerato indivisibile, un’unità elementare della materia come concepita dai filosofi dell’antichità. Fu solo con l’avvento della fisica moderna e con gli esperimenti pionieristici, come quelli di Rutherford agli inizi del XX secolo — che si giunse alla consapevolezza che l’atomo possiede un nucleo centrale, piccolissimo rispetto alle dimensioni complessive dell’atomo, ma contenente quasi tutta la sua massa. Da quel momento, lo studio della struttura del nucleo ha aperto nuove prospettive nella comprensione della materia e delle forze fondamentali che ne regolano la stabilità e le trasformazioni.
Storia
Nel 1815 il medico inglese Prout ipotizzò che gli atomi non fossero altro che il prodotto di aggregazione di più atomi di idrogeno. La sua ipotesi non riusciva a spiegare, per alcuni elementi, le masse atomiche relative diverse da numeri interi della massa unitaria dell’idrogeno.
Solo nel 1920, con la scoperta dello spettrometro di massa che permette di isolare atomi chimicamente uguali ma massa diversa (isotopi), la teoria di Prout trovò nuovo credito.
Con l’ipotesi di Rutherford (1911) secondo la quale nel nucleo di ogni atomo è relegata tutta la sua massa e tutta la sua carica positiva e con la successiva scoperta del neutrone quale costituente dei nuclei (Chadwik, 1932) si spiegarono le emissioni di particelle α da parte di nuclei radioattivi. Il dispositivo che consente di individuare la traiettoria di particelle di per sé invisibili è la camera a nebbia composta da un contenitore a forma di parallelepipedo con le pareti in vetro all’interno del quale si introduceva del vapore che creava l’effetto di una nebbia.
Quando si poneva un elemento radioattivo (uranio, radio, polonio ecc.) al suo interno, si vedevano le scie provocate dai fasci delle radiazioni che attraversavano la camera.
Struttura del nucleo atomico
Il nucleo atomico è la parte centrale dell’atomo, in cui si concentra quasi tutta la sua massa e la sua carica positiva. Esso è costituito da due tipi di particelle subatomiche: i protoni, dotati di carica positiva, e i neutroni, elettricamente neutri. Queste particelle, dette complessivamente nucleoni, sono tenute insieme da una forza potentissima: la forza nucleare forte, che contrasta la naturale repulsione elettrostatica tra i protoni. Il numero di protoni nel nucleo definisce il numero atomico e quindi l’identità chimica dell’elemento, mentre il numero complessivo di protoni e neutroni costituisce il numero di massa.
La struttura del nucleo non è statica: i nucleoni si muovono in un volume estremamente piccolo rispetto alle dimensioni complessive dell’atomo e le loro interazioni determinano le proprietà dei nuclei, come la stabilità e la possibilità di decadere emettendo particelle o radiazioni. La distribuzione dei nucleoni all’interno del nucleo segue schemi che possono essere descritti da modelli teorici, tra cui il modello a goccia liquida e il modello a shell nucleare, che aiutano a spiegare fenomeni come l’energia di legame e la presenza di numeri magici di nucleoni particolarmente stabili.
Lo studio della struttura del nucleo atomico è fondamentale per comprendere i processi che avvengono nelle stelle, la radioattività naturale e artificiale, e le reazioni nucleari sfruttate nelle centrali nucleari e negli acceleratori di particelle.
Positroni
Nel 1932 Anderson, utilizzando la camera a nebbia, osservò che le particelle presenti nei raggi cosmici curvavano la loro traiettoria in un campo elettromagnetico così come fanno gli elettroni, ma in direzione opposta. Egli confermò cioè l’esistenza di particelle di antimateria, con massa uguale a quella dell’elettrone, ma con carica opposta: i positroni e+ .
Anderson intuì che anche il protone doveva avere un gemello di carica opposta, ma la conferma sperimentale di tale ipotesi si ebbe solo nel 1935 ad opera di tre scienziati, Chamberlain, Owen e Fermi che ottennero gli antiprotoni in uno dei primi acceleratori di particelle.
Da allora sono state scoperte molte antiparticelle, al punto che oggi si ritiene che ad ogni particella ne corrisponda sempre un’altra della stessa massa, ma opposta per quanto riguarda alcune proprietà, quale ad esempio il segno della carica elettrica. A iniziare dagli anni ’40 ebbe grande importanza nello studio delle particelle subatomiche l’utilizzazione di macchine sempre più grandi e potenti: gli acceleratori. Essi accelerano, sparandole l’una contro l’altra, oppure contro dei materiali-bersaglio vari tipi di particelle ( protoni, neutroni, elettroni), sviluppando gigantesche quantità di energia.
I fasci di particelle accelerate penetrano nella materia, rivelando i suoi frammenti costitutivi.
L’energia concentrata ad un limite estremo è capace di materializzarsi istantaneamente in nuove particelle, spesso instabili, che non esistono in condizioni normali, ma che ci permettono con la loro effimera comparsa di interpretare sempre più a fondo la struttura della materia.
Particelle e antiparticelle
Le particelle finora identificate sono più di 200 tra particelle e antiparticelle di cui si riportano le più significative.
| Tipo di particella | Simbolo | Quark componenti | Carica elettrica | Antiparticella | |||
| Leptoni | ElettroneNeutrino elettronicoMuoneNeutrino muonico
Tau Neutrino tauonico |
e–eμ –ν μ
τ– ν τ |
—-
– – |
-10-10
-1 0 |
e+νe*μ+ν μ*
τ+ ν τ* |
||
| Androni | Mesoni | Mesone pi(pione)Mesone k(kaone)Mesone di | Π+Π– K+
K°
D+ D° |
u d*d u*u s*
d s*
c d * c u* |
+1-1+1
-1
+1 0 |
Π–Π+ K–
K+
D– D+ |
|
| Barioni | Nucleoni | Protoneneutrone | p+n° | u u dd d u | +10 | p–n°* | |
| LambdaSigma
Xi
Omega
|
Λ+ Σ +
Σ –
Ξ°
Ξ–
Ω– |
s u du u s
d d s
u s s
d s s
s s s |
0+1
-1
0
-1
-1 |
Λ– Σ +*
Σ -*
Ξ°*
Ξ°*
Ω+ |
|||
Particelle subatomiche
Le particelle subatomiche sono suddivise in:
- Androni ( protoni, neutroni e mesoni) contenenti delle particelle più piccole, i quark, dotati di una certa massa e soggetti all’azione di tutte le forze ( interazione elettromagnetica, interazione forte, interazione debole, interazione gravitazionale)
- Leptoni ( elettroni, neutrini, particelle tau) di massa scarsissima, che non subiscono l’interazione forte
In tabella vengono riportate le forze agenti tra particelle e le relative caratteristiche:
| Forza | Caratteristiche |
| Interazione forte | – Agisce tra protoni e neutroni nel nucleo tenendoli uniti, agisce anche tra i quark all’interno di protoni e neutroni- È la più potente e il suo raggio d’azione è ridottissimo |
| Interazione elettromagnetica | – Agisce tra particelle dotate di carica elettrica- È circa 100 volte più debole dell’interazione forte |
| Interazione debole | – Interviene nel decadimento radioattivo- È circa un milione di volte più debole della interazione forte e ha un piccolissimo raggio d’azione |
| Interazione gravitazionale | – Agisce tra tutte le particelle ( nel macrocosmo tiene uniti pianeti e Sole nel sistema solare- A livello di particelle elementari è talmente debole da essere trascurabile |
I quark, particelle elementari costituenti gli androni, finora non sono stati isolati, ma se ne conoscono le caratteristiche: spin, massa e carica. La massa si è potuta calcolare in base all’equazione di Einstein: E = mc2 da cui m = E/c2
I quark, combinati a tre a tre formano i barioni (protoni e neutroni); combinati a due a due formano i mesoni.
Leptoni e androni
Nonostante il raggruppamento delle particelle componenti il nostro Universo nelle due grandi categorie: leptoni e androni gli studi hanno dimostrato che quark e leptoni possono essere suddivisi in famiglie di quattro membri. Tutti i componenti del mondo in cui viviamo possono essere spiegati in termini di una famiglia di questo tipo, contenente il quark up e quello down, l’elettrone e il neutrino elettronico come si può vedere in figura:
I protoni e i neutroni legati nel nucleo atomico sono relativamente stabili e possono, come gli elettroni, passare da uno stato di minore a uno di maggiore energia, ma l’energia necessaria a eccitare le particelle nucleari risulta di almeno un milione di volte maggiore a quella utilizzata per eccitare gli elettroni, pertanto la forza che tiene uniti tali particelle è enorme.
Per spiegare che cosa è responsabile della forza che tiene uniti gli edifici atomici e gli stessi nuclei Yucawa (1935) propose l’esistenza di una particella di massa intermedia tra quella del protone e dell’elettrone, il mesone, responsabile della forza nucleare. In seguito fu verificata l’esistenza di due tipi di mesoni con masse leggermente diverse, di cui il più pesante, il mesone pi o pione, è il mediatore dell’interazione forte e quindi responsabile della forza nucleari.
Bosoni
Nel 1979 Ting identificò le particelle dette gluoni, mediatore dell’interazione forte che tiene uniti i quark all’interno dei protoni e dei neutroni. Si era ipotizzata l’esistenza di particelle dette bosoni vettori intermedi, mediatrici delle forze elettrodeboli. Nel 1985 Rubbia, al CERN di Ginevra, confermò tale ipotesi con l’identificazione dei due bosoni W e Z. Tali particelle sono alla base della teoria di Weinberg, Glashow e Salam che unifica le interazioni deboli con le interazioni elettromagnetiche in una sola forza: la forza elettrodebole. La figura
Mostra la composizione in quark rispettivamente del protone e del neutrone. Queste particelle (nucleoni) ritenute un tempo masse compatte, sono anch’esse spazio vuoto con dei costituenti piccoli e duri: i quark. Sono stati usati i termini di interazione e mediatori, lasciandone intuire l’effetto, ma senza definirli:
- Per interazione si intende qualunque effetto a seguito del quale due corpi o due sistemi di corpi si influenzano reciprocamente, realizzando variazioni di energie
- Mediatore è la particella attraverso la quale si manifesta l’interazione.
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il 20 Dicembre 2011