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Le particelle subatomiche

19 gennaio 2010

Nella prima puntata della serie sulla meccanica quantistica abbiamo visto un po’ la storia dell’atomo e abbiamo discusso del modello oggi ampiamente accettato. Questo prevede un nucleo molto compatto e uno spazio vastissimo (in termini relativi, ovviamente) in cui gli elettroni si muovono, in orbitali ben precisi.

Non abbiamo, pero’, visto di cosa sia composto il nucleo, ne’ come si possano distinguere atomi di elementi diversi. Questi due sottoargomenti sono strettamente correlati, quindi ne parleremo in questo articolo. Allacciate le cinture, si parte!

L’atomo, quindi, non e’ indivisibile, come credevano gli scienziati da Democrito (d’accordo, all’epoca non erano chiamati scienziati, ma filosofi) fino agli inizi del XX secolo. Questo significa che deve essere composto di “mattoni” ancora più piccoli. Abbiamo visto nel precedente articolo dell’esistenza degli elettroni, piccolissime particelle (la cui massa e’ di 9.109·10−31 kg ovvero 0,0000000000000000000000000009109 grammi) di carica negativa che “orbitano” attorno al nucleo. Il nucleo, a sua volta, e’ quasi sempre composto di un certo numero di protoni neutroni. Dico quasi, perché, come vedremo, l’atomo di idrogeno non ha neutroni nel suo nucleo.

Protoni e neutroni, detti anche nucleoni in quanto componenti il nucleo dell’atomo, hanno massa simile e molto maggiore di quella dell’elettrone (circa 1836 volte la sua massa il protone e circa 1839 volte il neutrone). Il protone ha carica elettrica uguale a quella dell’elettrone come “intensità” (più propriamente, in valore o modulo), ma opposta; un elettrone e un protone, cioè, si attraggono tra di loro, un po’ come i due poli opposti di una calamita. Il neutrone, invece, come dice il nome, e’ neutro, ovvero non ha carica elettrica e non attrae ne’ respinge le altre cariche (ovvero, la sua interazione elettromagnetica e’ molto debole).

Siccome un atomo “a riposo” deve essere, come si suol dire, elettricamente neutro, il numero di cariche positive e quello di cariche negative dev’essere uguale in modo che si compensino. Poiché abbiamo visto che il valore della carica (positiva) dei protoni e’ uguale a quello della carica (negativa) degli elettroni, questi devono essere in numero uguale in un atomo neutro o a riposo. Il numero di neutroni, invece e’ un po’ più libero, anche se ci sono altri vincoli più complessi.

A causa di quanto visto sopra, gli atomi dei diversi elementi (per intenderci, idrogeno, elio, oro, bario, calcio, ferro ecc., potete consultare la tavola periodica degli elementi qui) si differenziano per il numero di protoni nei loro nuclei. Il numero che trovate associato ad ogni elemento nella tavola periodica si chiama numero atomico e rappresenta esattamente il numero di protoni del nucleo di quell’elemento, ad esempio uno per l’idrogeno, due per l’elio, sette per l’idrogeno l’azoto, otto per l’ossigeno, settantanove per l’oro e novantadue per l’uranio (l’elemento più pesante presente in natura).

E’ possibile che, per diversi motivi, un atomo possa trovarsi temporaneamente con una disparità di elettroni e protoni, perché acquisisce o perde degli elettroni. In questo caso l’atomo non perde le sue caratteristiche, cioè rimane sempre l’atomo di quell’elemento, ma diventa uno ione negativo o positivo rispettivamente. Siccome la natura non ama le cose asimmetriche e non neutre, questo stato tende ad essere instabile e l’atomo tenderà a perdere gli elettroni in eccesso o recuperare quelli in difetto per tornare ad essere neutro. In tutti questi scambi viene coinvolta energia, quindi vengono sfruttati  abbondantemente in tutta la moderna tecnologia (dall’immagazzinamento di energia alla produzione di luce, passando per un’infinita’ di altre applicazioni). Il fatto di caratterizzare l’atomo di un elemento mediante il numero di protoni anziché quello di elettroni ha, quindi, un senso ben preciso. E i neutroni? I neutroni, come detto sopra, sono presenti nei nuclei di quasi tutti gli atomi, con l’eccezione di quello di idrogeno che ha solo un protone. Atomi di uno stesso elemento possono, pero’, avere un numero di neutroni diverso, pur mantenendo le caratteristiche chimiche di quell’elemento. Atomi di uno stesso elemento ma con un numero diverso di neutroni vengono detti isotopi (dal greco “stesso posto”) di quell’elemento. I vari isotopi di un elemento vengono caratterizzati mediante la loro massa atomica (ovvero la somma del numero di protoni e neutroni; ricordo che la massa degli elettroni e’ trascurabile in confronto a quella delle particelle del nucleo). Prendiamo l’esempio del carbonio: questo ha sei protoni nel  nucleo dei suoi atomi, ma può avere (in natura) 6, 7 o 8 neutroni. Si parla, in questo caso di carbonio-12, carbonio-13 e il famosissimo carbonio-14.

Normalmente quando si parla di un elemento senza specificare l’isotopo ci si riferisce al suo isotopo più frequente in natura, visto che di solito la loro diffusione e’ molto diversa: riprendendo l’esempio del carbonio, più del 98% di questo elemento presente sulla terra e’ costituito da carbonio-12, mentre vi sono solo tracce di carbonio-14. Alcuni elementi (21 in tutto) hanno un solo isotopo naturale, cioè vi e’ una sola “configurazione” per quell’elemento in natura, un esempio di questi e’ il berillio. La maggior parte (si ipotizza fino a trenta volte in più) degli isotopi sono radioattivi, ovvero il loro nucleo e’ instabile. Cosa significa in questo caso “instabile”? Immaginiamo un grande castello di carte: il suo stato e’ instabile in quanto basta un nonnulla per farlo crollare. Dopo il crollo, le carte si troveranno in uno stato più stabile sul tavolo o sul pavimento. Un nucleo instabile e’ in una situazione simile e per raggiungere uno stato più stabile deve decadere, ovvero emettere parte del suo nucleo o dividerlo (generando anche energia) e trasformarsi nel nucleo di un isotopo più stabile. Un classico esempio e’ quello dell’uranio-235, il combustibile delle centrali a fissione nucleare, che decade in torio-231 con l’emissione di due protoni e due neutroni (una particella composta da due protoni e due neutroni si chiama particella alfa, α). L’energia generata da questo decadimento e’ molto alta ed e’ quella che viene utilizzata per generare elettricità in queste centrali.

Prima di cominciare l’articolo pensavo di trattare anche di ciò che compone protoni e neutroni (ebbene no, non sono indivisibili nemmeno quelli), ma credo di aver già messo abbastanza carne al fuoco per un post solo. Aspetto i vostri commenti ;-)

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