Il fantasma nell’atomo

Il fantasma nell'atomo

Introduzione:Siete sicuri di sapere davvero come e’ fatta la materia? Di sapere quale sia il suo componente fondamentale? Guardate questo video e rimarrete stupiti.

Cose da fare: Si tratta di un video della serie TedEd. La pagina iniziale non solo fa partire il video (in inglese) ma permette l’accesso a destra a un quiz (“Think”) e a materiali aggiuntivi (“Dig deeper” ). Se cliccate in basso a destra (“Youtube”), potete accedere a una versione con sottotitoli italiani.

Cosa succede:Avete capito bene: il componente fondamentale  della materia solida che ci circonda e’ lo spazio vuoto. Nello spazio occupato dall’atomo c’e’ un fantasma. Se allargate il singolo atomo alla dimensione di uno stadio, il nucleo e’ al centro dello stadio ed ha le dimensioni di una biglia. Gli elettroni sono invece praticamente puntiformi ed occupano ognuno un guscio intorno al nucleo. Il disegno tradizionale non e’ proprio in scala. Allora, vi chiederete, come mai la materia ci sembra cosi’ solida? Tutto dipende da una proprieta’ delle particelle elementari di cui e’ formata (cioe’ elettroni, protoni e neutroni). Sono tutti fermioni. I fermioni non possono stare tutti assieme nello stesso posto. Cosi’ ogni elettrone occupa un guscio ben definito e sono questi gusci praticamente vuoti a rendere l’atomo cosi’ solido.

Anche protoni e neutroni occupano ognuno il loro guscio nel nucleo ma a una scala piccolissima rispetto agli elettroni. Come avete visto nel video, quella biglia al centro dello stadio ha una densita’ altissima. Nel nucleo la materia occupa lo spazio in maniera piu’ efficiente. La tendenza dei fermioni a occupare spazi diversi e’ una vera e propria forza che si oppone a ogni tentativo di comprimere l’atomo eliminando il vuoto. Piu’ cerchiamo di restringere in uno spazio piu’ piccolo i fermioni, piu’ veloci si muovono. Ma solo fino a un certo punto. In una stella poco piu’ grande  del Sole,  quando finisce il combustibile nucleare, la forza di gravita’ ha il sopravvento e comincia a comprimere la materia fino a pressioni cosi’ spaventose da superare questa forza. Allora assistiamo a un fenomeno straordinario. Gli elettroni si fondono con i protoni producendo neutroni e tutti  gli atomi collassano : quello che rimane e’ un ammasso di neutroni tutti compattati a formare un unico nucleo. E’ la stella di neutroni. Lo spazio vuoto tra elettroni e nucleo e’ scomparso e tutto il Sole e’ diventato un corpo celeste di qualche decina di chilometri di diametro!

Possiamo comprimere ancora di piu’ la materia ed eliminare anche lo spazio vuoto non usato nel nucleo? Si, e’ quello che succede nelle stelle che collassano e che hanno almeno tre volte la massa  del Sole : la pressione e’ tale che si trasformano in un buco nero. Quello che e’ successo e’ un cataclisma inaspettato : invece di ridurre semplicemente lo spazio vuoto, la forza gravitazionale ha trasformato lo spaziotempo in quel punto. Intorno si e’ creato uno schermo (l’orizzonte degli eventi) e non possiamo piu’ vedere cosa c’e’ dentro. Ma ci deve essere qualcosa di straordinario perche’ il buco nero al suo interno puo’ ingoiare qualsiasi cosa arrivi a quel punto e tutto quello che vediamo dall’esterno e’ una modesta crescita dell’orizzonte degli eventi  che, nei buchi neri supermassicci contenenti fino a decine di miliardi di soli, arriva appena a 400 volte la distanza Terra-Sole!  Le uniche cose  misurabili  dall’esterno in un buco nero (che variano al variare del numero di oggetti ingoiati)  sono  la sua massa, la carica elettrica e la rotazione (momento angolare). La massa e’ misurata dall’attrazione gravitazionale sulle stelle vicine . Invece la rotazione assieme alla carica puo’ assumere valori grandissimi e produrre campi magnetici enormi e getti collimati di particelle nello spazio (come un faro). Insomma lo spazio e’ molto ma molto strano …

Commenti:Se davvero lo spazio occupato dall’atomo e’ praticamente vuoto, allora le immagini degli atomi prodotti dallo STM cosa fanno vedere? Se lo spazio nell’atomo e’ vuoto, le forze elettromagnetiche tra elettroni e nucleo sono sempre ben presenti. Le immagini STM registrano proprio l’intensita’ di queste forze lungo le linee di scansione e in tal modo ci fanno vedere indirettamente l’atomo.

I gusci dove si muovono i singoli elettroni sono detti in gergo orbitali. Esistono delle magnifiche visualizzazioni di questi orbitali , ma queste finora non erano “foto” di atomi reali, ma erano prodotte con l’equazione matematica che secondo la meccanica quantistica  rappresenta l’atomo. Recentemente si e’ riusciti a “fotografarli” anche per atomi reali usando il trucco di rappresentare piu’ atomi nello stesso stato sovrapposti nella stessa foto.

Altri applet di fisica atomica

Il materiale ha come indirizzo http://ed.ted.com/lessons/just-how-small-is-an-atom e fa parte della raccolta di video TED-ed Lessons Worth Sharing.

Autore: Andrew Park e Jonathan Bergmann
© TED Conferences

Titolo in inglese: Just how small is an atom?

 

Ricerca di pagine che hanno link a questo materiale .

 

Salva

Salva

Tweet

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *