E-school di Arrigo
Amadori
in collaborazione con :
Associazione Astrofili Cesenati
http://www.astrofilicesena.it/index.html
CORSO DI CULTURA SCIENTIFICA DI BASE
(3') incontro del 31/10/2003
resoconto
01 - Audiovisivo sugli orbitali.
Si tratta di un viaggio virtuale dentro un atomo.
Prendendo spunto dall'audiovisivo, abbiamo accennato ai quark che costituiscono
protoni e
neutroni. In particolare abbiamo introdotto il quark down ed il quark up ed
abbiamo visto
come si combinano per formare protoni e neutroni e come si spiega la carica
positiva del
protone e la carica nulla del neutrone.
02 - Richiamo sui concetti di atomo, ione, isotopo.
Un "tipo" di atomo (idrogeno, elio, litio ecc.) è caratterizzato dal suo numero atomico, ovvero
dal numero di protoni
contenuti nel suo nucleo. Due atomi con numero atomico diverso sono
diversi. Per esempio
il carbonio
ha 6 protoni mentre l'azoto ha 7 protoni.
Normalmente un atomo ha un numero di elettroni che ruotano attorno al suo nucleo
pari al
numero atomico. Quando un atomo perde un elettrone diventa uno ione positivo,
mentre
quando acquista un elettrone diventa uno ione negativo. Si tratta però sempre
dello stesso
tipo di atomo.
Atomi con lo stesso numero atomico possono avere un diverso numero di neutroni.
Essi si
chiamano isotopi. Per esempio, il carbonio 12 (6 protoni e 6 neutroni) è il
carbonio che
esiste maggiormente in natura. Esiste anche, in minore percentuale, il carbonio
14 che è
formato sempre da 6 protoni ma da 8 neutroni. Isotopi dello stesso atomo hanno
le stesse
proprietà elettriche e quindi chimiche.
03 - Nascita di una stella.
Una enorme nube (nebulosa) costituita prevalentemente di idrogeno (l'elemento
più diffuso
nell'universo) comincia a comprimersi grazie alla forza gravitazionale (sempre
attrattiva) fra
gli atomi che la compongono.
Comprimendosi, la nube diviene sempre più densa e calda. Gli atomi di idrogeno,
scaldandosi
sempre più (la temperatura è legata alla energia cinetica degli atomi, ovvero
al loro grado di
agitazione) cominciano ad urtarsi con maggiore energia.
Ad un certo punto, a causa degli urti sempre più energetici, gli elettroni si
staccano dagli atomi
di idrogeno e si forma un plasma (stato di aggregazione della materia in cui
nuclei ed elettroni
sono mescolati in una specie di gas caldissimo).
A causa della gravitazione la nube diventa sempre più densa e calda ed ad un
certo punto i
protoni cominciano ad urtarsi con sempre
maggiore forza
ed a raggiungere distanze relative
molto piccole. Riescono allora, a causa dell'enorme
agitazione
termica (energia) che possiedono,
a vincere le forze di repulsione elettriche
che a distanze sempre più piccole diventano sempre
più grandi (inversamente proporzionali al
quadrato della distanza).
Quando le distanze fra i protoni diventano più piccole di un certo valore
critico, "scattano"
le forze nucleari.
04 - Fusione nucleare.
La forza nucleare fra protoni fa sì che da nuclei di idrogeno si formino nuclei
di elio. Questa
reazione si chiama fusione nucleare.
La reazione nucleare di fusione dell'idrogeno che avviene in una stella può essere così
simbolicamente
indicata :
1 protone + 1 protone + 1
neutrone + 1 neutrone ===> 1 nucleo di elio .
Più esattamente, le reazioni nucleari che intervengono nella fusione
dell'idrogeno nelle stelle sono
le seguenti :
1 protone + 1 protone ===>
1 deutone (protone + neutrone) + 1 neutrino + 1 positrone (elettrone positivo)
+
1 fotone gamma
1 deutone + 1 protone ===> elio3
(2 protoni + 1 neutrone) + 1 fotone gamma
1 elio3 + 1 elio3 ===> 1 elio4 (2
protoni + 2 neutroni) + 2 protoni + 1 fotone gamma
(descriveremo in futuro cosa sono
neutrini, fotoni e positroni).
La reazione per la creazione dell'elio a partire dall'idrogeno ha una
fondamentale caratteristica.
La massa di un nucleo di elio prodotto è lievemente minore della massa dei quattro
nucleoni
che l'hanno formato.
Secondo il principio di conservazione della massa e dell'energia, se in una
reazione si perde
massa essa si deve trasformare in energia.
L'energia che si libera in questa reazione è data dalla nota formula di
Einstein :
E = m c ²
dove m è la massa e c è la velocità della luce che nel sistema di misura
internazionale vale
circa :
300 000 000 metri/secondo .
Essendo nella formula di Einstein la velocità della luce al quadrato, ovvero :
c ² = circa 90 000 000 000 000
000
si deduce che l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno è enorme.
Per esempio, se un grammo di massa si trasforma completamente in energia, si ha
la seguente
liberazione di energia :
E = 0,001 * 90 000 000 000 000 000 =
90 000 000 000 000 Joule
(0,001 rappresenta un grammo, ovvero
un millesimo di chilogrammo, il simbolo *
rappresenta l'operazione di
moltiplicazione e il Joule è l'unità di misura dell'energia nel
sistema internazionale).
Un Joule è circa l'energia che si ottiene facendo cadere un corpo di un etto da
una altezza di
un metro. Fondendo nuclearmente un grammo di materia si ottiene allora la stessa
energia che
si ottiene facendo cadere un peso di 9 000 000 000 di chilogrammi da mille metri
!!! Una energia
enorme !!!
La stella così si "accende" emettendo una enorme quantità di energia
sotto forma di radiazione
elettromagnetica (di tutti i tipi, dalle frequenze radio ai raggi gamma) e di
particelle (per il nostro
sole, è il cosiddetto vento solare).
La stella raggiunge allora l'equilibrio e cessa di comprimersi perché la
pressione verso l'esterno
prodotta dalla fusione nucleare controbilancia la forza gravitazionale che tenderebbe a farla
comprimere su se stessa indefinitamente.
05 - Morte di una stella.
Ma l'idrogeno che costituisce il "combustibile", trasformandosi in
elio, prima o poi si esaurisce.
Dopo milioni o miliardi di anni (a seconda della sua massa) una stella è destinata a morire.
Avvengono allora tutta una serie di trasformazioni che portano la stella a diversi destini e ciò in
dipendenza della sua massa.
Schematizzando enormemente, si ha che se una stella è più leggera di una certa
massa critica
(circa 7 masse solari) una stella diventa prima una gigante rossa e poi una nana
bianca rimanendo
tale fino alla sua completa morte.
Per le stelle di questo tipo, dopo che si è bruciato tutto l'idrogeno, si
comincia a bruciare l'elio
creando i nuclei fino al
carbonio. A questo punto la stella, divenuta una nana bianca, sarà
costituita da carbonio e così
lentamente si spegnerà.
Il nostro sole avrà questo destino !!! Nella fase precedente di gigante rossa
diventerà così grande
e caldo da inglobare e distruggere almeno i pianeti più vicini (compresa,
ahimè, la nostra terra).
Per le stelle dell'altra categoria (quelle con massa maggiore della massa
critica) l'evoluzione è molto
più eclatante. Esse diventeranno supergiganti rosse e poi, esplodendo con una
immane esplosione,
(fase di supernova) diventeranno o stelle di neutroni o buchi neri.
Durante la fase di supergigante rossa, verranno creati dalle enormi temperature
anche gli atomi fino
al ferro. Gli atomi più pesanti del ferro, però non possono essere creati in
quella fase. Non vi è
energia sufficiente.
Solo durante l'esplosione che trasforma una supergigante rossa in una supernova
(che è l'evento
più energetico e catastrofico conosciuto e che avviene in poche frazioni di
secondo) si liberano
energie sufficienti a produrre i nuclei più pesanti del ferro.
06 - Creazione degli atomi più pesanti dell'idrogeno.
Abbiamo visto allora che i nuclei più pesanti dell'idrogeno vengono creati (è
proprio il caso di dirlo)
a partire dall'idrogeno in quelle enormi fucine che sono le stelle.
Sorge allora una domanda inquietante. Come è possibile che qui sulla terra
esistano gli elementi più
pesanti del ferro quando il nostro sole non è in grado di produrli (appartenendo
esso alla prima
categoria di stelle) ?
La risposta è che forse il sole si è prodotto da una nebulosa che era a sua
volta il resto di una
esplosione di una supernova. Uno strano esempio di reincarnazione stellare ...
07 - Buchi neri.
Quando una stella massiccia (del secondo tipo) muore, una sua parte, dopo l'esplosione
che
produce la supernova, si trasforma in un nucleo densissimo di neutroni.
Se, infatti, gli elettroni si fondono con i
protoni, si ottengono neutroni. Quindi, in certe condizioni
di pressione, la materia si trasforma in neutroni estremamente addensati. Tutta la massa di una
stella si riduce così in una "palla" di pochi chilometri di
raggio !!!
E' così che si forma una stella di neutroni.
Se poi, la densità di questa materia supera un certo valore, si ha un fenomeno
che ha dell'incredibile.
Si ha la formazione di un buco nero che, secondo la teoria della relatività
generale di Einstein, incurva
così tanto lo spazio intorno a sé da far sì che nemmeno la luce ne possa più
uscire (da qui il nome).
08 - Nota importante.
Nella creazione ed evoluzione di una stella, tutte le 4 forze sono presenti,
attive e compartecipi.
Fine.