Dove si parla degli atomi esistenti in natura e dei primi atti del processo di formazione della luce all'interno delle stelle.
98-Protoni e neutroni
Ma andiamo a vedere, in mezzo a questo vuoto enorme che è l’atomo, come è formato il nucleo. Intanto non tutti gli atomi sono uguali. Cambiano a secondo del tipo di materia che vanno a formare; si perché il nucleo non è una pallina ma un insieme di palline, dette protoni, tutte attaccate tra loro che possono variare di numero. Vanno da una sola pallina ad un centinaio. Così come sono un centinaio gli elementi conosciuti. Ogni elemento è caratterizzato da un particolare numero di palline, o protoni, all’interno del proprio nucleo. L’idrogeno, l’elemento più semplice, ne ha una sola, il carbonio sei, l’ossigeno otto, il ferro ventisei, l’oro settantanove, il piombo ottantadue, l’uranio novantadue. Il numero di protoni esistenti al centro è poi bilanciato dallo stesso numero di elettroni che girano in periferia. E allora, per esempio, un pezzo di ferro sarà fatto da atomi, tutti con un nucleo fatto di ventisei palline e ventisei elettroni che girano. Tutti questi elementi sono stati catalogati e classificati in base al loro numero atomico, cioè al numero di protoni che posseggono, da un chimico russo di nome Mendeleev
il quale ne ha fatto una tabella molto utile per capire così a colpo d’occhio di quale elemento e soprattutto di quale classe di elementi stiamo parlando. Infatti gli elementi disposti sulla stessa colonna hanno tutti la stessa proprietà. Non è un concetto semplice da spiegare, ma, se si ha voglia di dare una occhiata a questa tabella, non sarà difficile distinguere e raggruppare tra loro le varie classi degli elementi, dai più semplici ai più complessi. Ma torniamo ai nostri bei nuclei così stipati di palline, cioè di protoni. Essi sono pesanti, hanno una massa, anzi rappresentano la maggior parte della massa dell’intero atomo ed hanno, come già detto, carica elettrica positiva. Questa carica viene neutralizzata, dalla carica elettrica negativa degli elettroni che girano intorno al nucleo. La legge è questa, tanti protoni, tanti elettroni, e così l’atomo nel suo complesso è neutro. Il protone ha una massa 1.836,11 volte maggiore di quella dell’elettrone. Nonostante ciò tutti i protoni di un atomo sono stipati insieme in una zona centrale piccolissima. Basta pensare che l’atomo è 100.000 volte più esteso rispetto al suo nucleo. Ma non è finita, anzi è appena cominciata, perché c’è da dire anche che nel nucleo ci sono altre palline che si chiamano neutroni che hanno anche essi una massa e quindi un peso, ma non hanno una carica elettrica, lo dice il nome stesso. Sono neutri. Ma a questo punto i fisici si sono chiesti. Come mai i protoni riescono a stare così bene stipati, attaccati gli uni agli altri, pur avendo tutti carica positiva? In teoria dovrebbero respingersi e l’atomo dovrebbe scoppiare, disintegrarsi. Passi per l’idrogeno il cui atomo presenta un solo protone, ma già l’elio che ne ha due….e l’uranio che ne ha novantadue? E allora si ipotizzò che ci dovesse essere un qualche collante molto forte che tenesse uniti questi protoni e neutroni tra loro.
il quale ne ha fatto una tabella molto utile per capire così a colpo d’occhio di quale elemento e soprattutto di quale classe di elementi stiamo parlando. Infatti gli elementi disposti sulla stessa colonna hanno tutti la stessa proprietà. Non è un concetto semplice da spiegare, ma, se si ha voglia di dare una occhiata a questa tabella, non sarà difficile distinguere e raggruppare tra loro le varie classi degli elementi, dai più semplici ai più complessi. Ma torniamo ai nostri bei nuclei così stipati di palline, cioè di protoni. Essi sono pesanti, hanno una massa, anzi rappresentano la maggior parte della massa dell’intero atomo ed hanno, come già detto, carica elettrica positiva. Questa carica viene neutralizzata, dalla carica elettrica negativa degli elettroni che girano intorno al nucleo. La legge è questa, tanti protoni, tanti elettroni, e così l’atomo nel suo complesso è neutro. Il protone ha una massa 1.836,11 volte maggiore di quella dell’elettrone. Nonostante ciò tutti i protoni di un atomo sono stipati insieme in una zona centrale piccolissima. Basta pensare che l’atomo è 100.000 volte più esteso rispetto al suo nucleo. Ma non è finita, anzi è appena cominciata, perché c’è da dire anche che nel nucleo ci sono altre palline che si chiamano neutroni che hanno anche essi una massa e quindi un peso, ma non hanno una carica elettrica, lo dice il nome stesso. Sono neutri. Ma a questo punto i fisici si sono chiesti. Come mai i protoni riescono a stare così bene stipati, attaccati gli uni agli altri, pur avendo tutti carica positiva? In teoria dovrebbero respingersi e l’atomo dovrebbe scoppiare, disintegrarsi. Passi per l’idrogeno il cui atomo presenta un solo protone, ma già l’elio che ne ha due….e l’uranio che ne ha novantadue? E allora si ipotizzò che ci dovesse essere un qualche collante molto forte che tenesse uniti questi protoni e neutroni tra loro.
99-Isotopi
E allora si ipotizzò che ci dovesse essere un qualche collante molto forte che tenesse uniti questi protoni e neutroni tra loro. Si scoprì allora che la forza di adesione era determinata da un’altra particella, detta mesone, che, come una pallina da ping pong, fa avanti e indietro tra protone e neutrone. Ogni secondo, cioè, fa avanti e indietro milioni di miliardi di volte. La sua forza di coesione è data quindi dal fatto che, grazie alla sua enorme velocità, è come se si trovasse in due luoghi diversi contemporaneamente, cioè attaccata al protone e attaccata al neutrone. Queste forze che tengono insieme la struttura del nucleo evitano che il tutto esploda con conseguente rilascio di energia. Nel nostro nucleo quindi i neutroni hanno grande importanza in quanto, grazie al collante di cui dicevamo, contrastano le forze di repulsione esistenti tra i protoni tutti dotati di carica positiva. L’idrogeno non ha neutroni, ma per esempio i tre protoni del nucleo del litio hanno bisogno di quattro neutroni e così negli atomi maggiori la proporzione tra protoni e neutroni è sempre più sbilanciata a favore di questi ultimi. Ad esempio per mantenere appiccicati i novantadue protoni del nucleo dell’uranio, occorrono ben cento quarantasei neutroni. La differenza tra i vari elementi che esistono in natura quindi, sta tutta qui nella diversa composizione degli atomi di cui sono fatti. Ora abbiamo visto che il numero di protoni deve essere uguale a quello di elettroni che girano intorno al nucleo, per far si che l’atomo sia elettricamente neutro, ma per quanto riguarda i neutroni, che non hanno carica, il loro numero può variare senza che l’elemento si trasformi. Quasi tutti gli elementi presentano forme secondarie che differiscono dalle principali per il numero di neutroni.
E gli atomi con numero di neutroni diverso da quello base, prendono il nome di isotopi, letteralmente stesso posto, perché occupano lo stesso posto dell’elemento principale in quella tabella del chimico russo. Esistono isotopi naturali e isotopi che sono stati creati dagli scienziati, togliendo o aggiungendo neutroni all’atomo. Dei novantadue elementi esistono trecento isotopi naturali e mille creati artificialmente in laboratorio bombardando i nuclei degli atomi. E infatti uno stesso elemento può presentare una varietà di nuclei diversi e cioè con un numero diverso di neutroni, gli isotopi con un neutrone in più sono detti pesanti, quelli con un neutrone in meno sono detti leggeri. Un esempio per tutti: l’idrogeno che normalmente ha nel nucleo un protone e un elettrone che gli gira intorno, ha un isotopo pesante il cui nucleo accanto al protone presenta un neutrone. Si chiama deuterio, costituisce la cosiddetta acqua pesante, non è presente in natura e viene prodotta in maniera artificiale nelle centrali nucleari. Ma lasciamo perdere gli isotopi dei quali ci sarebbe tanto da dire, soprattutto sulla loro radioattività, cioè delle radiazioni che essi emettono.
E gli atomi con numero di neutroni diverso da quello base, prendono il nome di isotopi, letteralmente stesso posto, perché occupano lo stesso posto dell’elemento principale in quella tabella del chimico russo. Esistono isotopi naturali e isotopi che sono stati creati dagli scienziati, togliendo o aggiungendo neutroni all’atomo. Dei novantadue elementi esistono trecento isotopi naturali e mille creati artificialmente in laboratorio bombardando i nuclei degli atomi. E infatti uno stesso elemento può presentare una varietà di nuclei diversi e cioè con un numero diverso di neutroni, gli isotopi con un neutrone in più sono detti pesanti, quelli con un neutrone in meno sono detti leggeri. Un esempio per tutti: l’idrogeno che normalmente ha nel nucleo un protone e un elettrone che gli gira intorno, ha un isotopo pesante il cui nucleo accanto al protone presenta un neutrone. Si chiama deuterio, costituisce la cosiddetta acqua pesante, non è presente in natura e viene prodotta in maniera artificiale nelle centrali nucleari. Ma lasciamo perdere gli isotopi dei quali ci sarebbe tanto da dire, soprattutto sulla loro radioattività, cioè delle radiazioni che essi emettono.
100-Elettroni
Per completare il discorso sull’atomo, occorre accennare, infine, a quelli che sembrerebbero essere i più piccoli costituenti della materia. I Quark. Senza entrare in particolari che sarebbero troppo complicati, entriamo nel protone e nel neutrone, per trovare appunto, i quark, parola magica che fu presa dal suo inventore pari pari da un verso di un poeta inglese. In ogni protone e in ogni neutrone ce ne sono tre e anche essi sono tenuti insieme da un collante potentissimo sotto forma di particelle dette gluoni dotate di una forza ancora più potente di quei mesoni che tenevano uniti i protoni e i neutroni tra loro. A proposito di questi quark solo un dato sconvolgente, la loro dimensione. Prendiamo un protone, che già di per sé ha dimensioni assurde, dividiamo il suo diametro in mille parti, prendiamone una sola parte ed ecco un quark. Certo è difficile riuscire a immaginare questi affari così piccoli, forse più difficile che non immaginare gli spazi immensi dell’universo.
Comunque, a proposito di spazi immensi…..adesso usciamo dal nucleo di cui ci siamo occupati fino ad ora, e attraversiamo lo spazio immenso che ci separa dalla periferia dell’atomo e, quando siamo quasi arrivati al confine, troviamo questi elettroni che girano vorticosamente. Anche qui parliamo di dimensioni veramente infinitesimali. Gli elettroni hanno il diametro lungo, si fa per dire, un milionesimo di miliardesimo del diametro dell’atomo; cioè occorrono un milione di miliardi di elettroni posti l’uno accanto all’altro per fare il diametro dell’atomo. La meccanica quantistica, la scienza che si occupa dello studio di particelle così piccole, dice che gli elettroni sono un poco pazzi e soprattutto sono imprevedibili. Le loro orbite non sono come quelle dei pianeti, determinate e precise, o meglio, non sono nemmeno casuali, sono loro che girano a caso e saltano da un’orbita all’altra così senza un apparente motivo. Queste orbite si trovano appunto nella parte più superficiale dell’atomo e possono essere considerate come gli strati di una cipolla. Ogni strato ha uno o più elettroni. Naturalmente, come detto, tanti sono i protoni al centro e altrettanti sono gli elettroni in periferia. Si va allora dall’atomo di idrogeno, che ha un solo protone e un solo elettrone che gira in un unico strato, all’atomo di uranio che ha novantadue protoni e novantadue elettroni che girano disposti su sette strati. Ogni strato, dal più interno al più esterno può contenere un certo numero di elettroni. Gli strati più esterni, essendo più grandi, avranno la possibilità di accogliere più elettroni. Appena uno strato è pieno di elettroni, si dice saturo e il successivo elettrone va a disporsi sullo strato più esterno e così via, fino a saturare tutti gli strati. Gli atomi, quindi sono fatti così, perchè così era scritto nel capitolato. E vedremo che tutto questo avrà un significato e una sua ragione d’essere.
Comunque, a proposito di spazi immensi…..adesso usciamo dal nucleo di cui ci siamo occupati fino ad ora, e attraversiamo lo spazio immenso che ci separa dalla periferia dell’atomo e, quando siamo quasi arrivati al confine, troviamo questi elettroni che girano vorticosamente. Anche qui parliamo di dimensioni veramente infinitesimali. Gli elettroni hanno il diametro lungo, si fa per dire, un milionesimo di miliardesimo del diametro dell’atomo; cioè occorrono un milione di miliardi di elettroni posti l’uno accanto all’altro per fare il diametro dell’atomo. La meccanica quantistica, la scienza che si occupa dello studio di particelle così piccole, dice che gli elettroni sono un poco pazzi e soprattutto sono imprevedibili. Le loro orbite non sono come quelle dei pianeti, determinate e precise, o meglio, non sono nemmeno casuali, sono loro che girano a caso e saltano da un’orbita all’altra così senza un apparente motivo. Queste orbite si trovano appunto nella parte più superficiale dell’atomo e possono essere considerate come gli strati di una cipolla. Ogni strato ha uno o più elettroni. Naturalmente, come detto, tanti sono i protoni al centro e altrettanti sono gli elettroni in periferia. Si va allora dall’atomo di idrogeno, che ha un solo protone e un solo elettrone che gira in un unico strato, all’atomo di uranio che ha novantadue protoni e novantadue elettroni che girano disposti su sette strati. Ogni strato, dal più interno al più esterno può contenere un certo numero di elettroni. Gli strati più esterni, essendo più grandi, avranno la possibilità di accogliere più elettroni. Appena uno strato è pieno di elettroni, si dice saturo e il successivo elettrone va a disporsi sullo strato più esterno e così via, fino a saturare tutti gli strati. Gli atomi, quindi sono fatti così, perchè così era scritto nel capitolato. E vedremo che tutto questo avrà un significato e una sua ragione d’essere.
101-Luce
Torniamo a parlare ora della luce e vedremo che sarà più chiaro il meccanismo, ora che sappiamo tutto sulla composizione dell’atomo anche la luce è una caratteristica dell’universo, fenomeno che abbiamo già visto nascere all’interno delle stelle, ma che adesso vedremo più da vicino. La luce come il calore e il suono, sono dei fenomeni che hanno preso origine nella notte dei tempi in quell’originaria deflagrazione che conosciamo come big bang. Da allora la nascita di luce calore e suono si ripete all’interno delle stelle, e ancora oggi essi vagano per l’universo in espansione. Intanto bisogna dire che la luce è fatta di onde elettromagnetiche, ma anche di corpuscoli (vedi meccanica quantistica) e prende origine all’interno dell’atomo. E vediamo come. Sappiamo che la luce è intimamente connessa con il calore, infatti un corpo illuminato è anche caldo. Ma un corpo caldo non deve essere necessariamente illuminato. Per fare in modo che un corpo sia illuminato bisogna prima dargli del calore, successivamente il corpo non sarà solo caldo, ma emetterà anche luce. Siccome poi la luce ha lunga vita, e il calore si disperde, noi, ad esempio del sole sentiamo poco del calore che emette, non solo, ma lo sentiamo e non lo vediamo.
Ora se noi riscaldiamo un corpo cioè lo sottoponiamo ad un processo di riscaldamento conferendogli un certo quantitativo di energia, non facciamo altro che apportare una perturbazione del campo elettromagnetico di questi atomi. Infatti gli atomi della sostanza che abbiamo riscaldato, stavano così bene per conto loro con il loro bel stato che, tuttavia, non è di quiete, di immobilità, ma che comunque è caratterizzato da un loro movimento, un moto che è proprio della loro natura. Con i suoi bravi elettroni che girano attorno ad un enorme spazio per lo più vuoto al cui centro stanno stipati in poco spazio i protoni e i neutroni. E tutto quest’insieme di protoni, neutroni, vuoto ed elettroni si muove, così come, a stretto contatto di gomito, si muovono gli altri atomi. Un movimento che conferisce alla sostanza le caratteristiche che le sono proprie e soprattutto la temperatura della sua superficie esterna. Così noi, andando a perturbare il campo elettromagnetico di questi atomi, non abbiamo fatto altro che provocare la loro reazione, cioè abbiamo determinato un aumento del loro movimento all’interno della sostanza; aumenterà di conseguenza la sfregamento tra gli atomi e la temperatura dalla sostanza aumenterà. Quindi il calore somministrato alla sostanza fa si che essa entri in sintonia con questo calore e si riscaldi anch’essa tramite l’aumento del movimento degli atomi. La sostanza cioè emetterà delle radiazioni elettromagnetiche le quali hanno forma di onde e si propagheranno in tutte le direzioni. Un po’ come quando buttiamo un sasso nell’acqua del lago e andiamo a perturbare la sua quiete, e, su tutta la sua superficie, si propagano le onde determinate da quella perturbazione. Le onde di calore che ora la nostra sostanza emana, hanno una certa lunghezza (lunghezza d’onda) che fino ad un certo punto resterà al di sotto di un certo valore. Cioè, nel famoso spettro verrà prima del rosso, che è il limite della luce visibile per noi esseri umani. Ed è per questo che noi il calore lo percepiamo, ma non lo vediamo.
Ora se noi riscaldiamo un corpo cioè lo sottoponiamo ad un processo di riscaldamento conferendogli un certo quantitativo di energia, non facciamo altro che apportare una perturbazione del campo elettromagnetico di questi atomi. Infatti gli atomi della sostanza che abbiamo riscaldato, stavano così bene per conto loro con il loro bel stato che, tuttavia, non è di quiete, di immobilità, ma che comunque è caratterizzato da un loro movimento, un moto che è proprio della loro natura. Con i suoi bravi elettroni che girano attorno ad un enorme spazio per lo più vuoto al cui centro stanno stipati in poco spazio i protoni e i neutroni. E tutto quest’insieme di protoni, neutroni, vuoto ed elettroni si muove, così come, a stretto contatto di gomito, si muovono gli altri atomi. Un movimento che conferisce alla sostanza le caratteristiche che le sono proprie e soprattutto la temperatura della sua superficie esterna. Così noi, andando a perturbare il campo elettromagnetico di questi atomi, non abbiamo fatto altro che provocare la loro reazione, cioè abbiamo determinato un aumento del loro movimento all’interno della sostanza; aumenterà di conseguenza la sfregamento tra gli atomi e la temperatura dalla sostanza aumenterà. Quindi il calore somministrato alla sostanza fa si che essa entri in sintonia con questo calore e si riscaldi anch’essa tramite l’aumento del movimento degli atomi. La sostanza cioè emetterà delle radiazioni elettromagnetiche le quali hanno forma di onde e si propagheranno in tutte le direzioni. Un po’ come quando buttiamo un sasso nell’acqua del lago e andiamo a perturbare la sua quiete, e, su tutta la sua superficie, si propagano le onde determinate da quella perturbazione. Le onde di calore che ora la nostra sostanza emana, hanno una certa lunghezza (lunghezza d’onda) che fino ad un certo punto resterà al di sotto di un certo valore. Cioè, nel famoso spettro verrà prima del rosso, che è il limite della luce visibile per noi esseri umani. Ed è per questo che noi il calore lo percepiamo, ma non lo vediamo.
