E-school  di  Arrigo Amadori

Fisica

Introduzione

 - 01 - Le 4 forze.

          Tutti i fenomeni naturali conosciuti possono essere descritti  tramite 4 forze 
          (interazioni) elementari :


 interazione


 raggio d'azione


 campi di applicazione








 gravitazionale








 infinito


 formazione delle stelle

 sistemi planetari 

 struttura in grande scala dell'universo

 big bang

 buchi neri


 elettromagnetica



 infinito


 campi e onde elettromagnetiche

 proprietà chimiche della materia

 vita

 nucleare debole

 cortissimo

 decadimenti radioattivi

 nucleare forte






 cortissimo






 nuclei atomici

 scissione nucleare

 fusione nucleare

 emissione di energia dalle stelle


          Essendo la realtà un tutto unico, le 4 forze agiscono sempre assieme. Per 
          esempio noi siamo vivi perchè siamo fatti di atomi i quali sono fatti di nuclei (in 
          cui agiscono le forze nucleari) e di elettroni che vi ruotano attorno (grazie alla forza 
          elettromagnetica). Gli atomi di cui siamo fatti sono legati fra loro dalle forze 
          chimiche (prodotte dalla forza elettromagnetica) e formano le innumerevoli  
          molecole che alimentano le numerosissime reazioni chimiche  che ci tengono in vita. 
          Il nostro corpo poi è legato dalla forza peso (forza gravitazionale) al nostro pianeta 
          per cui non fluttuiamo liberamente nello spazio come fossimo in una navicella spaziale. 
          Il sole tiene in orbita attorno a sè la terra e gli altri pianeti (forza gravitazionale) e la 
          terra ha una struttura sferica grazie alla forza gravitazionale che la tiene insieme. 
          Il sole poi riscalda ed illumina (forza nucleare ed elettromagnetica) la terra permettendo
          la vita, facendo piovere, alternando il giorno alla notte (grazie anche alla forza 
          gravitazionale) ecc. ecc ....... 

          Il "tutto" è organizzato dalla forza gravitazionale in sistemi stellari, galassie, 
          ammassi galattici e super ammassi galattici mentre questo stesso "tutto" è formato
          da atomi e particelle in cui agiscono le forze elettromagnetiche e nucleari.

 - 02 - Interazione gravitazionale.

           La forza gravitazionale agisce fra tutti i corpi dotati di massa. Essa è molto debole ed 
           è percettibile solo fra corpi macroscopici. E' sempre attrattiva. E' la forza che agisce 
           su larga scala in tutto l'universo permettendo l'esistenza di stelle, pianeti e galassie.

           Il valore della forza gravitazionale fra due punti di massa m1 e m2 distanti R è dato
           dalla formula di Newton (G è la costante di gravitazione universale) :

                         

 - 03 - Interazione elettromagnetica.

           La materia è costituita da particelle elettricamente cariche positivamente o 
           negativamente (o di carica nulla). Due cariche elettriche si attirano se hanno 
           segno opposto o si respingono se hanno segno uguale. 

           La forza elettrica fra due cariche q1 e q2 distanti R è data dalla legge di 
           Coulomb (epsilon0 è la costante dielettrica del vuoto) (si noti la somiglianza
           con la formula di Newton) :

                          

           Le cariche elettriche in moto creano un campo elettromagnetico che si propaga 
           nello spazio tramite onde alla velocità della luce c (circa 300.000 Km/sec). 

           Una carica elettrica in movimento produce, oltre ad un campo elettrico, anche 
           un campo magnetico. I fenomeni magnetici, quindi, sono prodotti da cariche 
           elettriche in movimento (in una calamita sono gli elettroni che vi generano il 
           campo magnetico).

           Non esiste, quindi, una forza magnetica a sè stante, separata da quella 
           elettrica, anche se i fenomeni magnetici apparentemente sembrano così diversi 
           da quelli elettrici. 

           La descrizione dei fenomeni elettrici e magnetici tramite una sola forza rappresenta 
           il primo caso storico di unificazione fisica.

           L'atomo è formato da un nucleo positivo contenente protoni e neutroni e da
           elettroni negativi che gli ruotano velocissimamente attorno. Essendo l'atomo
           nel suo complesso elettricamente neutro, il numero dei protoni eguaglia il
           numero degli elettroni. Questo numero è detto numero atomico. La somma
           del numero dei protoni e dei neutroni che compongono un nucleo è detto
           peso atomico. La massa di protoni e neutroni è molto grande rispetto a 
           quella degli elettroni (circa 2000 volte, ed è per questo motivo che gli
           elettroni ruotano attorno al nucleo e non viceversa).

           Gli elettroni delle orbite atomiche più esterne sono la causa dei legami chimici
           fra gli atomi che costituiscono le molecole di cui è composta la materia (e noi stessi). 

           La forza elettromagnetica e quella gravitazionale formano lo scenario usuale 
           della nostra vita quotidiana nonchè la causa della vita stessa. Sono state le prime 
           forze ad essere conosciute e studiate (la forza nucleare è una scoperta recente, 
           il neutrone fu scoperto solo nel 1932). Le forze nucleari sono come "impacchettate"
           nei nuclei atomici e raramente si manifestano.

 - 04 - Interazione nucleare debole.

           E' responsabile del decadimento radioattivo del nucleo atomico. Alcuni
           nuclei sono instabili e si spezzano spontaneamente  producendo parti più piccole 
           (altri nuclei più leggeri, particelle alfa (nuclei di elio) e beta (elettroni)) nonchè
           energia elettromagnetica (raggi gamma). 

           In natura ogni atomo ha un numero atomico ben preciso (il numero dei protoni
           o degli elettroni). Il peso atomico, invece, può essere diverso e questo perchè 
           a parità di protoni si possono avere nel nucleo differenti numeri di neutroni.

           L'idrogeno, per esempio, ha numero atomico uno (un protone ed un elettrone) 
           ma può avere peso atomico 1 (idrogeno normale, in percentuale altissima), 
           2 (deuterio, un protone ed un neutrone, in percentuale bassa) e 3 (trizio, 
           un protone e due neutroni, in percentuale bassissima). Dal punto di vista delle
           proprietà elettriche (chimiche) si tratta sempre di idrogeno. Dal punto di vista
           delle proprietà nucleari, idrogeno, deuterio e trizio sono molto diversi fra loro. 

           Atomi di ugual numero atomico e diverso peso atomico si chiamano isotopi.
           Gli isotopi di uno stesso atomo possono essere stabili od instabili, ovvero i 
           loro nuclei permangono tali nel tempo oppure si disintegrano in parti più 
           piccole con possibile emissione anche di energia elettromagnetica (raggi 
           gamma). La maggioranza degli isotopi in natura sono stabili ma molti non lo
           sono. Altri diventano instabili se bombardati con particelle.

           Il carbonio 14 (C14) è un isotopo molto interessante perchè è utilizzato per 
           la datazione dei fossili. Il carbonio ha numero atomico 6 mentre il suo isotopo 
           più diffuso è l'isotopo C12. E' presente anche il C13. C12 e C13 sono 
           stabili. Vi sono tracce anche di C14 che è instabile e si trasforma in azoto 14 
           emettendo una particella beta (un elettrone).   

           Questa disintegrazione avviene casualmente per cui nessuno può prevedere
           quando un singolo nucleo di C14 si disintegrerà. A livello statistico, però, 
           esiste un parametro, la cosiddetta vita media o tempo di dimezzamento, che
           è assolutamente preciso. Questo parametro ha origine dalla legge dei grandi
           numeri, la stessa che regola il gioco del lotto. In quel gioco nessuno può dire
           con esattezza che numeri usciranno in una  ruota, ma, sapendo che la 
           probabilità che esca il  numero 1 è 1/90, di certo possiamo affermare che 
           dopo infinite estrazioni il numero 1 sarà uscito esattamente una volta su 90.

           La legge dei grandi numeri afferma, quindi, che la frequenza statistica (cioè 
           quante volte si ripete un evento sul totale) tende alla probabilità (che è il rapporto 
           fra gli eventi favorevoli rispetto agli eventi possibili) al crescere del numero 
           degli  eventi.

           Ritornando al C14, un suo nucleo ha una certa ben precisa probabilità di 
           rompersi (di decadere). Su un numero grandissimo di nuclei questa probabilità 
           determina una  vita media di 5730 +- 40 anni (l'indeterminazione è davvero
           piccola !!!).

           Tale vita media  significa che a partire da un chilogrammo di C14, dopo 5730 
           anni ne rimangono esattamente 500 grammi  (la metà).

           Supponendo che la percentuale del C14 rispetto a C12 e C13 nella nostra biosfera
           sia costante nel tempo, ogni essere vivente ne contiene una certa quantità costante in
           percentuale (lo assorbe dagli alimenti, dall'acqua e dall'aria).

           Quando un essere vivente muore cessa di assumere C14 il quale da quel momento
           decadrà continuamente, senza essere rimpiazzato, con una vita media di 5730 anni.

           In un fossile, quindi, si può calcolare la percentuale di C14 rimasto e di conseguenza
           ricavare il tempo trascorso dalla sua morte, ovvero l'età del fossile.

 - 05 - Interazione nucleare forte.

           E' responsabile della struttura dei nuclei atomici ed è estremamente forte, sebbene
           agisca in un range cortissimo. 

           Il nucleo atomico è costituito da protoni (carichi di elettricità positiva) e da neutroni 
           (particelle di carica neutra).  

           Il nucleo atomico è molto piccolo e concentrato. L'interazione nucleare forte riesce 
           a vincere la forza di repulsione elettrica fra i protoni di uguale carica (che a distanze 
           sempre più piccole tende all'infinito) e permette l'esistenza del nucleo atomico. 
           Altrimenti i protoni, respingendosi, non potrebbero stare uniti nel nucleo. 

           Se liberata, questa forza produce energie enormi (pila atomica, bomba atomica,  
           bomba H, energia radiante prodotta dalle stelle). 

           Una stella si forma da una gigantesca nube cosmica (soprattutto idrogeno e polvere) 
           estremamente rarefatta che per forza  gravitazionale (centripeta) comincia a condensarsi
           in una struttura sferica sempre più densa. 

           Raggiunta una certa densità (grazie alla gravità crescente) gli atomi della stella in formazione
           cominciano ad urtarsi sempre più ed a "riscaldarsi".

           Aumentando la densità sotto l'azione della gravità crescente, si raggiunge un livello 
           di agitazione termica degli atomi tale da creare urti sempre più energici. A questo
           punto gli elettroni degli atomi escono dalle orbite che li vincolano al nucleo e si 
           forma il plasma, ovvero un miscuglio ad alta energia di nuclei ed elettroni. 

           Sotto l'azione della gravità sempre crescente si raggiunge finalmente un livello di 
           agitazione dei protoni e neutroni tale che essi cominciano ad urtarsi così fortemente
           da innescare le forze nucleari (che hanno un raggio d'azione cortissimo).

            I protoni riescono così a vincere le forze elettriche repulsive e cominciano a fondersi 
            (fusione nucleare) formando atomi di elio. La stella si accende ed inizia la sua vita.

            La reazione nucleare che avviene in una stella è quindi D + D --> He + E (un nucleo
            di deuterio D (idrogeno formato da un protone ed un neutrone) + un altro nucleo
            di deuterio formano uno nucleo di elio con l'emissione di una certa energia). 

            L'energia viene prodotta perchè la massa dell'elio che si forma è lievemente inferiore
            alla somma delle masse dei due nuclei di deuterio che l'hanno formato. Questo  
            difetto di massa si trasforma in energia (secondo la nota formula E=mc2). 

            L'energia prodotta è enorme (essendo il prodotto della massa per la velocità della 
            luce al quadrato) e viene emessa dalla stella sotto forma di radiazione elettromagnetica.
            Essa è l'energia che permette la vita sul nostro pianeta. 

            La fusione nucleare fra due nuclei di deuterio in un nucleo di elio è quindi la reazione
            nucleare che trasforma fredde nubi cosmiche di gas e polvere in caldissime stelle 
            (tutto questo grazie alla forza di gravità). 

            L'uomo è riuscito solo a riprodurre la fusione nucleare in forma esplosiva, non 
            controllata (bomba H). Enormi sforzi si stanno facendo da decenni per riprodurla  
            in forma controllata. Quando ciò sarà possibile, l'umanità finalmente disporrà di
            energia praticamente illimitata (l'idrogeno è presente nell'acqua in quantità inesauribile)
            ed allora sarà l'inizio di una nuova era. 

            Al momento il processo di fusione nucleare controllata è stato ottenuto solo per tempi 
            brevissimi. Il problema fondamentale che ancora non è stato risolto è come confinare 
            il plasma ad altissima energia in modo che si inneschi la fusione nucleare. Non potendo
            utilizzare, come in una stella, l'energia gravitazionale (centripeta), si utilizzano campi 
            magnetici estremamente forti dove confinare il plasma.

            Quando però si innesca la reazione nucleare, l'aumento improvviso di energia fà sì 
            che il plasma esca dal confinamento magnetico e la fusione cessi. 

            Una stella, quindi, brucia idrogeno producendo elio il quale non è più utilizzabile 
            per reazioni nucleari producenti energia. Siccome ogni stella ha una quantità di 
            idrogeno ben definita, ogni stella ha così una ben precisa evoluzione (nascita, 
            vita e morte).

            La morte di una stella può dar luogo a fenomeni diversi, dipende dalla massa della 
            medesima. Se la massa è superiore ad una certa soglia (massa critica) la stella, 
            raffreddandosi e contraendosi (collasso gravitazionale) si trasforma in un buco nero. 
            Il nostro sole non ha una massa sufficiente, per cui non diventerà un buco nero. 

 - 06 - Le 2 teorie.

           Le 4 forze possono essere descritte matematicamente da due teorie : la relatività 
           generale e la meccanica quantistica. 

           Nei primi 30 anni del '900 furono poste le basi logico-matematiche alle due teorie 
           grazie ai lavori rivoluzionari di Einstein, Heisemberg, Schroedinger e molti altri. 

           La teoria della relatività generale descrive la forza gravitazionale ed è una teoria 
           basata sui concetti geometrici classici del continuo. Siccome i fenomeni che 
           descrive sono tutti a larghissima scala, la struttura corpuscolare microscopica 
           della materia può in essa essere trascurata.

           Viceversa, la meccanica quantistica descrive i fenomeni microscopici legati al 
           funzionamento degli atomi e delle particelle. In tali  fenomeni la forza gravitazionale 
           è trascurabile, essa agisce apprezzabilmente solo fra corpi macroscopici.

           La meccanica quantistica basa i propri concetti sulla discontinuità delle grandezze 
           fisiche (i cosiddetti quanti) in uno scenario completamente in contraddizione con 
           quello classico.

           Le due teorie sono radicalmente antitetiche come forma  (veste matematica) 
           e come contenuto però, occupandosi di fenomeni normalmente non paragonabili, 
           vengono portate avanti ed utilizzate separatamente.

           Solo in particolari fenomeni, per esempio nei buchi neri, le due teorie vengono 
           ad interagire. Quando cioè, per esempio, il campo gravitazionale è così forte 
           da compattare così densamente la materia facendone interagire i componenti 
           microscopici (atomi e particelle) col campo gravitazionale stesso.

 - 07 - L'unificazione.

           Lo sforzo attuale dei fisici è quello di creare una teoria unica che fondi in sè la
           teoria della relatività generale con la meccanica quantistica, il microcosmo con il
           macrocosmo. Le difficoltà sono enormi ed è comune convinzione che occorrerà 
           un'altra rivoluzione copernicana.

           E questo perchè l'uomo ha sempre cercato istintivamente l'unità nella molteplicità, 
           l'ordine nel caos. 

Fine. 

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