La fusione nucleare che da idrogeno crea elio nelle stelle è rappresentata più precisamente dal seguente
schema :
un protone si fonde con un altro protone e genera :
un deutone (nucleo di deuterio, isotopo dell'idrogeno, formato da un protone ed un neutrone)
un elettrone positivo (positrone, antiparticella dell'elettrone)
un neutrino
con emissione di energia per difetto di massa pari a 0,42 MeV (megaelettronvolt)
idem come sopra
un protone si fonde con un deutone e genera :
un nucleo di elio 3 (nucleo dell'isotopo dell'elio con due protoni ed un neutrone)
un fotone gamma (radiazione elettromagnetica ad alta energia)
con emissione di energia per difetto di massa pari a 5,49 MeV
idem come sopra
.
un nucleo di elio 3 si fonde con un altro nucleo di elio 3 e genera :
un nucleo di elio 4 (elio nella sua struttura nucleare normale)
due protoni
con emissione di energia per difetto di massa pari a 12,86 MeV.
Il risultato finale è quindi che da sei protoni si ottiene un nucleo di elio e due protoni di scarto, oltre
a due positroni, due neutrini, due fotoni gamma e produzione di oltre 20 MeV per difetto di massa.
02 - Probabilità di reazione. Legge dei grandi numeri.
Secondo la meccanica quantistica i fenomeni non avvengono secondo leggi deterministiche, ma si
verificano sempre con certo grado di indeterminazione, di casualità. Ogni evento ha una certa probabilità
di verificarsi o non.
Ciò significa che, per esempio, la probabilità che si verifichi la prima reazione del precedente schema
(protone + protone) non è il 100 % (la certezza), ma segue un andamento in funzione dell'energia cinetica
(energia che indica il grado di movimento, di agitazione) delle particelle del tipo illustrato in figura:
Dal grafico si deduce che vi è una energia cinetica T0 rispetto alla quale vi è la probabilità massima
di fusione fra due protoni. Ciò significa che i protoni dotati di una tale energia cinetica hanno la massima
probabilità di fondersi.
Per energie cinetiche diverse da T0 questa probabilità diminuisce.
Supponiamo, per esempio, che all'energia cinetica T1 corrisponda una probabilità del 30% .
Cosa significa fisicamente questo dato ? Ci dobbiamo rifare, per comprendere questo, alla cosiddetta
legge del caso (o legge dei grandi numeri).
Essa afferma che la frequenza con cui un certo evento effettivamente si verifica tende alla sua probabilità
quando il numero dei "tentativi" è molto grande (tendente all'infinito).
Questo significa, nel nostro caso, che su n (dove n è un numero grande) protoni dotati della
energia cinetica T1 esattamente il 30 % di n subiranno la reazione di fusione.
03 - Teorie fisiche.
Abbiamo fin qui visto che nell'universo agiscono 4 tipi di forze (gravitazionale, elettromagnetica,
nucleare debole, nucleare forte).
La maggioranza dei fenomeni fisici noti sono descrivibili (a tutt'oggi) grazie all'azione di queste
forze.
Ma come avviene questa descrizione ? Attraverso delle teorie fisiche che non sono altro che
modelli matematici. Una teoria fisica descrive le relazioni matematiche fra le grandezze fisiche
in gioco nei particolari fenomeni.
Per esempio, la teoria della gravitazione di Newton descrive matematicamente come la forza
gravitazionale dipende dalla massa dei corpi e dalla loro distanza.
Una teoria fisica non è mai "vera", nel senso assoluto del termine. Una teoria fisica è vera
entro i limiti in cui è definita e logicamente fondata ed in particolare è vera entro i limiti dovuti
alla precisione degli strumenti di misura che, misurando le grandezze fisiche, la mettono,
inevitabilmente, alla prova.
La ricerca della "verità assoluta" (supposto che ne esista una) o dell' "essenza" delle cose non
è compito dello scienziato perché esso sa, da Galileo in poi, che l'unica cosa che gli compete è
fare delle misure e trovare delle relazioni matematiche fra le grandezze fisiche.
Cosa sia un elettrone nessuno può saperlo. Quello che si può sapere è come "funziona", come si
comporta in un campo elettrico, che traiettoria compie, che energia ha ecc.
Quando, per l'avvenuto progresso scientifico, strumenti sempre più precisi dimostrassero che una
teoria fisica non è più corretta, non succederebbe allora nulla di drammatico. Ciò fa parte del "gioco".
Anzi, in un certo senso, paradossalmente, i fisici non sperano altro : di vedere le proprie teorie
contraddette dalla realtà dei fatti perché questo è l'unico modo per progredire nella conoscenza.
Più volte nella storia recente, teorie che sembravano a prova di "bomba" hanno dovuto essere
modificate radicalmente.
Si pensi alla teoria della relatività ed alla meccanica quantistica che rappresentarono all'inizio del
'900 un superamento della meccanica classica. Però attenzione, la meccanica classica, entro
certi limiti, continua ad essere valida, anzi è il punto di partenza di ogni teoria, ne costituisce le
fondamenta.
Infine, una teoria fisica, oltre a descrivere i fenomeni noti (sempre entro i limiti sperimentali indotti
dagli errori delle misure) deve essere in grado di prevedere fenomeni sconosciuti. Questo, in un
certo senso, rappresenta il grado di "bontà" e "potenza" di una teoria fisica : tanto più una teoria
è "buona", quanto più fa scoprire nuovi fenomeni.
04 - Teorie classiche, teorie quantistiche.
Vi sono due grandi famiglie di teorie fisiche : le teorie classiche e quelle quantistiche. In linea di
principio, le prime si applicano ai fenomeni macroscopici mentre le seconde ai fenomeni
microscopici.
Purtroppo i due tipi di teorie sono logicamente inconciliabili ed a tutt'oggi, nonostante i tentativi
e le grandi energie profuse (in questo sta la "frontiera" della attuale ricerca scientifica), non si è
riusciti a creare una unica teoria che spieghi macrocosmo e microcosmo come una unica realtà.
Le differenze sostanziali fra i due tipi di teorie sono :
- 1 - Le teorie classiche si basano sui concetti di punto materiale e di traiettoria.
Un corpo, se sufficientemente "piccolo" nei confronti delle dimensioni della traiettoria
che compie nel suo moto, può essere considerato come un punto privo di dimensioni
in cui vi è concentrata tutta la massa (quantità di materia) del corpo stesso. Questo punto
si chiama punto materiale.
Un corpo sufficientemente "grande", nei confronti delle dimensioni della traiettoria che
compie nel suo moto, può essere considerato come un insieme continuo di punti materiali.
Un punto materiale, nel suo moto, compie una traiettoria continua, ovvero una linea
continua (in generale curva).
- 2 - Le teorie quantistiche si basano sul concetto di funzione d'onda.
Sul moto di un corpo non si può fare alcuna affermazione deterministica. Addirittura
non si può neppure affermare che i corpi si muovono seguendo traiettorie continue.
Una teoria quantistica, al massimo, può solo predire la probabilità di trovare il corpo
in un certo punto dello spazio (ed in un certo istante).
La distribuzione della probabilità di trovare il corpo nei vari punti dello spazio è la
funzione d'onda del corpo in questione.
Le principali teorie classiche sono :
la meccanica classica
la teoria del campo elettromagnetico di Maxwell
la teoria della relatività ristretta
la teoria della relatività generale.
Le principali teorie quantistiche sono :
la meccanica quantistica
la teoria quantistica relativistica
il modello standard.
05 - Riferimenti agli argomenti del prossimo incontro.
Sono stati effettuati diversi riferimenti agli argomenti che saranno trattati prossimamente per cui non
ne verrà riportata qui la sintesi.
Fine.