LE PARTICELLE SUBATOMICHE.
Salerno, mercoledì 5 febbraio 2020.
La massa è la quantità di materia di un corpo, e rappresenta la resistenza a cambiare lo stato di moto o di quiete del corpo; la sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il chilogrammo, Kg.
La carica elettrica è la quantità di elettricità posseduta da un corpo, e la sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il Coulomb.
Ciò dipende dal fatto che la materia è neutra non per assenza di cariche elettriche ma perché formata, oltre che da particelle neutre, anche da un ugual numero di particelle aventi la stessa carica ma di segno opposto, che quindi si neutralizzano a vicenda. Infatti, sappiamo che un atomo è formato da un nucleo centrale piccolissimo di protoni carichi positivamente e di neutroni con carica nulla e da una nuvola elettronica. Quando però, in determinate circostanze, si verifica una separazione di tali cariche, perché elettroni passano da un corpo ad un altro corpo, allora la materia del corpo in esame manifesta la sua elettricità, e cioè la proprietà fondamentale di possedere cariche elettriche.
Analogamente, elettroni che dalla superficie metallica del lavello sono stati asportati per strofinio (ad esempio, quando lo si asciuga dalle gocce d'acqua residua), se la messa a terra non funziona bene vengono poi riacquistati attraversando il nostro corpo quando lo tocchiamo asciutto, e quindi avvertiamo una leggera scossa, dovuta al piccolo passaggio di corrente attraverso il nostro corpo.
Ce ne accorgiamo anche durante i temporali, quando fulmini abbaglianti scoccano dalle nuvole cariche di elettricità verso terra. In tali casi, è bene tener presente che il fulmine (che è una scarica elettrica) segue il percorso che offre la minima resistenza (... e che non sempre è il percorso più breve!), e quindi assolutamente occorre evitare di sostare presso lampioni durante temporali con fulmini, le cui aste metalliche sono buone conduttrici dell' elettricità, o restare a mare in acqua durante un temporale estivo, perché l'acqua salata del mare conduce la corrente elettrica molto meglio della terraferma!
Possiamo dimostrare che la materia dei corpi che ci circondano possiedono carica elettrica con due semplici esperimenti.
Nel primo, fissiamo una striscia di nastro adesivo ad un tavolo, e poi stacchiamolo di colpo. Se avviciniamo un dito al nastro, osserviamo che è attratto dalla nostra mano. La spiegazione è semplice: nello strappo il nastro adesivo ha lasciato una parte dei suoi elettroni sul tavolo. A seguito di questa perdita di elettroni, il nastro adesivo si è quindi caricato positivamente, e quindi, quando avviciniamo il dito, per induzione attira elettroni dal dito, e subisce quindi una forza di attrazione.
Nel secondo esperimento, prendiamo due strisce di nastro adesivo, e poi, dopo averle incollate tra di loro, le separiamo con uno strappo deciso. Riavvicinandole pian piano, notiamo che, a partire da una certa distanza le due strisce si attraggono a vicenda: ovviamente quest'attrazione è dovuta al fatto che nello strappo una striscia ha perso elettroni, cedendoli all'altra. Di conseguenza, la striscia di nastro adesivo che ha perso elettroni non è più elettricamente neutra, ma acquista una carica positiva; la striscia di adesivo che ha acquistato gli elettroni persi dall'altra striscia, anch'essa non è più neutra, ma risulta carica negativamente: di conseguenza, avvicinandole, ad una certa distanza critica nasce una forza di attrazione che tende ad unire le due strisce, che tendono a ritornare al loro stato neutro scambiando in senso inverso gli elettroni.
Per convenzione, la carica elettrica è distinta in positiva (+) e negativa (-): le cariche dello stesso segno, (+) e (+) , oppure (-) e (-), si dicono concordi, e come tali si respingono; le cariche di segno opposto (+) e (-) si dicono discordi, e come tali si attraggono.
ATOMO E PARTICELLE SUBATOMICHE.
Per poter meglio comprendere i concetti esposti nel precedente paragrafo, conviene fare qualche anticipazione e tener presente i seguenti concetti fondamentali.
L'atomo è la più piccola particella chimicamente indivisibile della materia, formato da un nucleo centrale, in cui risiede quasi tutta la massa, e da una nuvola di elettroni attorno ad esso.
Il nucleo è formato da protoni e neutroni: i protoni hanno massa unitaria e carica unitaria positiva; i neutroni sono particelle di massa unitaria e prive di carica elettrica; gli elettroni sono in numero uguale a quello dei protoni, ed hanno carica unitaria negativa.
Gli elettroni sono distribuiti su più livelli attorno al nucleo. Gli elettroni che vengono scambiati nei due esperimenti precedentemente descritti sono quelli periferici, perché, essendo più lontani dal nucleo (che è carico positivamente perché formato da protoni carichi positivamente e da neutroni con carica nulla), sono meno attratti da esso.
Gli elettroni, i protoni ed i neutroni sono le tre particelle subatomiche fondamentali, ma non sono le sole: quelle fino ad oggi scoperte sono oltre trecento!
Esaminiamo ora più in dettaglio che cosa sono le tre particelle subatomiche fondamentali dell' atomo, e cioè il protone, l'elettrone ed il neutrone, e da chi e come sono state scoperte.
L'ELETTRONE.
Gli atomi di tutti gli elementi contengono le stesse particelle negative, chiamate elettroni. L' elettrone è l'unità elementare di carica elettrica negativa; e cioè, non esiste la carica di 1,5 elettroni (cioè, 1 elettrone più mezzo elettrone), o di 3,1 elettroni, o di 6,33 elettroni, ma solo o 1, o 3, o 6 elettroni interi, e cioè - con un termine difficile - si dice che la carica elettrica è quantizzata, e cioè esiste ed è scambiata per unità intere, e non per sue frazioni.
La scoperta dell' elettrone è avvenuta con l' esperimento di Thomson, che utilizzò un tubo di vetro resistente di Crookes, in cui - mediante un'apertura munita di rubinetto - è possibile creare un vuoto spinto, avente alle cui estremità sono applicati due poli di un generatore di corrente: l' anodo (+), positivo; il catodo (-), negativo.
Facendo il vuoto spinto su un tubo di vetro di Crookes, quando la pressione del gas all'interno del tubo scende ad un milionesimo di atmosfera, non si ha più emissione di luce, ma si osserva una macchia fluorescente sulla parete di vetro di fronte al catodo, dovuta appunto agli elettroni. Questi elettroni provengono dalla ionizzazione del gas, causata dalla forte differenza di potenziale applicata agli elettrodi. Poi, il vuoto spinto favorisce il flusso di elettroni con carica negativa dal catodo verso l'anodo (raggi anodici). Vedremo, al successivo paragrafo, che contemporaneamente un flusso di particelle cariche positivamente (protoni, raggi catodici) procede in senso opposto dall'anodo al catodo.
Gli atomi di tutti gli elementi contengono le stesse particelle negative, chiamate elettroni. L' elettrone è l'unità elementare di carica elettrica negativa; e cioè, non esiste la carica di 1,5 elettroni (cioè, 1 elettrone più mezzo elettrone), o di 3,1 elettroni, o di 6,33 elettroni, ma solo o 1, o 3, o 6 elettroni interi, e cioè - con un termine difficile - si dice che la carica elettrica è quantizzata, e cioè esiste ed è scambiata per unità intere, e non per sue frazioni.
La scoperta dell' elettrone è avvenuta con l' esperimento di Thomson, che utilizzò un tubo di vetro resistente di Crookes, in cui - mediante un'apertura munita di rubinetto - è possibile creare un vuoto spinto, alle cui estremità sono applicati due poli di un generatore di corrente: l' anodo (+), positivo; il catodo (-), negativo.
Facendo il vuoto spinto in un tubo di vetro di Crookes, quando la pressione del gas all'interno del tubo scende ad un milionesimo di atmosfera, non si ha più emissione di luce, ma si osserva una macchia fluorescente sulla parete di vetro di fronte al catodo, dovuta appunto agli elettroni. Questi elettroni provengono dalla ionizzazione del gas, causata dalla forte differenza di potenziale applicata agli elettrodi. Poi, il vuoto spinto favorisce il flusso di elettroni con carica negativa dal catodo verso l'anodo (raggi anodici). Vedremo, al successivo paragrafo, che contemporaneamente un flusso di particelle cariche positivamente (protoni, raggi catodici) procede in senso opposto dall'anodo al catodo.
Riepilogando, abbiamo:
- Simbolo dell'elettrone: e-
- Carica elettrica: -1,602*10-19 Coulomb.
- Massa dell' elettrone: 9,1*10-31 Kg. = 9,1*10-29g. = 1/1836 volte la massa del protone e del neutrone.
- Nome del flusso di elettroni: raggi anodici.
IL PROTONE.
In un suo esperimento, Goldstein si accorse che, utilizzando un tubo modificato di Crookes con catodo forato, oltre ai raggi catodici, esistevano anche dei raggi che viaggiavano in direzione opposto: dall'anodo al catodo, e cioè dall'elettrodo positivo (anodo) all'elettrodo negativo (catodo). Poiché questi raggi passavano attraverso i ‘buchi’ praticato sul catodo, li chiamò raggi canale, oggi chiamati protoni.
Questi raggi, che Goldstein chiamò "raggi canale", erano formati dagli ioni positivi dei residui di gas presenti nel tubo. Quindi, riepilogando, i raggi canale (o raggi positivi) si dirigono in modo rettilineo dall'anodo al catodo
Poiché Goldstein lavorava con l’idrogeno, i suoi ‘raggi canale’ erano composti da ioni H+, con carica elettrica unitaria positiva (+1), detti protoni, con massa = 1,672*10-27 Kg (1836,1 volte la massa dell'elettrone) e carica positiva = + 1,602*10-19 coulomb, alla quale carica si attribuisce per convenzione il valore + 1. E’ da attribuire quindi a Goldstein la scoperta dei protoni, che - come detto - egli non chiamò mai protoni, ma "raggi canale", che sotto l' azione del campo elettrico migrano dall'anodo al catodo.
Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo di un determinato elemento chimico corrisponde al numero atomico Z, che è riportato nella Tavola Periodica per ciascun elemento (ad esempio, per l' idrogeno Z=1 (e cioè l'atomo di idrogeno ha un solo protone nel nucleo), per l'elio Z=2, per il carbonio Z= 6, per l'ossigeno Z=8, per il neon Z= 10, per il sodio Z=11, e così via.
Riepilogando, abbiamo:
- Simbolo del protone: p+
- Carica elettrica: +1,602*10-19 Coulomb.
- Massa del protone: 1,672*10-27 Kg; circa 1836 volte la massa dell'elettrone.
- Nome del flusso di protoni: raggi catodici (definizione attuale); "raggi canale" di Goldstein (vecchia definizione).
IL NEUTRONE.
Il neutrone è una particella subatomica con numero di massa pari a 1 e carica elettrica nulla (zero). Il neutrone è un costituente fondamentale, insieme al protone, del nucleo dell'atomo. Protoni, elettroni, e neutroni sono le tre particelle subatomiche fondamentali dell' atomo.
Poco dopo la scoperta dell'elettrone e del protone, i ricercatori si accorsero che i conti non tornavano, perché la somma delle masse dei protoni e degli elettroni di un elemento era inferiore al suo peso atomico. Capirono quindi che mancava una terza particella fondamentale.
I neutroni debbono il loro straordinario potere di penetrazione, superiore spesso a quello dei raggi γ emessi dalle sostanze radioattive, al fatto che non essendo carichi elettricamente, non ionizzano gli atomi sul loro percorso e quindi viene meno per essi la principale causa di frenaggio che agisce sulle particelle cariche.
Il frenaggio dei neutroni avviene precipuamente per urti con i nuclei; urti, spessi accompagnati da disintegrazioni, i quali però hanno una piccola probabilità, date le dimensioni minuscole, anche in confronto dell'atomo, delle particelle in questione.
La misura più esatta della massa del neutrone è dovuta a J. Chadwick e U. Goldhaber, che hanno disintegrato H2 con fotoni di grande energia e trovato m = 1.0080 ± 0.0005.
Poi Bothe e Becker nel 1930 notarono che particelle alfa emesse dal Polonio, incidendo su Berillio, producevano una radiazione capace di superare 200 mm di Piombo. La radiazione doveva essere neutra, perché nessuna particella carica, avrebbe potuto superare più di 1 mm di piombo. Come abbiamo detto, a tale particella è stato dato il nome di neutrone, che sta appunto a significare l'assenza di carica elettrica.
Riepilogando, abbiamo:
- Simbolo del neutrone: n0
- Carica elettrica: zero.
- Massa del neutrone: 1'67*10-27 Kg
APPROFONDIMENTI.
Massa.
Nel quadro più ampio della relatività ristretta, la massa relativistica non è più una proprietà intrinseca della materia, ma dipende anche dallo stato della materia stessa e dal sistema di riferimento in cui viene osservata. Il concetto di massa relativistica non è centrale alla teoria, al punto che alcuni autori la ritengono un concetto fuorviante. Nella relatività ristretta un corpo ha una massa relativistica direttamente proporzionale alla sua energia, tramite la famosa formula E = mc². È possibile invece definire un invariante relativistico, detto massa a riposo o massa invariante, al quale la massa relativistica si riconduce nel caso in cui la particella sia ferma. La massa a riposo è definita in termini dell'energia e dell'impulso della particella ed è la stessa in ogni sistema di riferimento, risultando una grandezza fisica molto più utile della massa relativistica, al posto della quale può essere usata l'energia della particella.
A differenza di spazio e tempo, per cui si possono dare definizioni operative in termini di fenomeni naturali, per definire il concetto di massa occorre fare esplicito riferimento alla teoria fisica che ne descrive significato e proprietà. I concetti intuitivi pre-fisici di quantità di materia (da non confondere con quantità di sostanza, misurata in moli) sono troppo vaghi per una definizione operativa, e fanno riferimento a proprietà comuni, l'inerzia e il peso, che vengono considerati ben distinti dalla prima teoria che introduce la massa in termini quantitativi, la dinamica newtoniana.
Il concetto di massa diventa più complesso al livello della fisica subatomica dove la presenza di particelle elementari con massa (elettroni, quark, ...) e prive di massa (fotoni, gluoni) non ha ancora una spiegazione in termini fondamentali. In altre parole, non è chiaro il perché alcune particelle siano dotate di massa e altre no. Le principali teorie che cercano di dare una interpretazione alla massa sono: il meccanismo di Higgs, la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop; di queste, a partire dal 4 luglio 2012 grazie all'acceleratore di particelle LHC, soltanto la Teoria di Higgs ha avuto i primi riscontri sperimentali.
LINK INTERESSANTI
