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CINQUE RISPOSTE CHIARE SULLA FISICA QUANTISTICA - di Walter Caputo – 31/12/2008

“Lo studio dell’infinitamente piccolo è probabilmente il tema più importante della fisica, soprattutto della fisica dell’ultimo secolo”, afferma Massimo Teodorani in “L’atomo e le particelle elementari”. Tanto è vero che, nel 2008, il premo Nobel per la Fisica è stato proprio assegnato a tre studiosi (Y. Nambu, M. Kobayashi e T. Maskawa) per le loro ricerche sulla fisica delle particelle.

L’importanza della fisica quantistica va di pari passo con altre sue caratteristiche intrinseche: complessità, fascino e mistero. E così molti, tra i quali l’autore di questo articolo, cercano risposte chiare, peraltro abbastanza rare e difficili da reperire.

La mia attività di divulgazione della scienza mi ha portato – per caso – a scoprire il testo di Teodorani, citato in principio. Dato che si tratta di un libro meravigliosamente comprensibile, e per di più corredato da quesiti al termine di ogni capitolo, ho deciso di rispondere ad alcuni di essi (e formularne altri), proprio per fornire a tutti i lettori interessati e a me in primis alcune risposte chiare sul tema della Fisica Atomica.

1) Per quale ragione la Legge di Coulomb è importante nella descrizione dei comportamenti atomici ?

La Legge di Coulomb afferma che le cariche opposte si attraggono, mentre quelle uguali si respingono. La forza con cui le cariche si attraggono oppure si respingono dipende da quanto sono grandi le cariche stesse e dalla distanza che le separa.
Quanto più grandi sono le cariche, tanto più si attrarranno (o si respingeranno). Al contrario, quanto più grande è la distanza che le separa, tanto più piccola sarà la forza di attrazione (o di repulsione).
La Legge di Coulomb è utile per capire cosa avviene all’interno di un atomo, poiché esso è costituito da particelle con carica negativa (gli elettroni), particelle con carica positiva (i protoni) e particelle con carica neutra (i neutroni).

2) Che cosa garantisce stabilità alla materia ?

La materia è composta da atomi. L’atomo è composto da un nucleo, che contiene protoni e neutroni, da elettroni e da tanto spazio vuoto (fra nucleo ed elettroni). Gli elettroni “ruotano” intorno al nucleo poiché sono attratti dalle cariche positive dei protoni per la Legge di Coulomb, ma sono respinti verso l’esterno dalla forza centrifuga.
In prima approssimazione si potrebbe pensare che l’elettrone orbitante intorno al nucleo perda energia nella rotazione e finisca presto per cadere sul nucleo stesso. Dunque l’atomo – e di conseguenza la materia – sarebbe instabile.
In realtà gli elettroni possono ruotare soltanto su orbite ben definite e – in corrispondenza di determinati livelli di energia – essi non possono uscire dalla propria orbita. Quindi continueranno a ruotare senza emettere né assorbire energia (finché non si troveranno ad interagire con dei fotoni). Di conseguenza la materia è proprio come la vediamo: stabile.

3) In che maniera la radiazione interagisce con la materia ?

Abbiamo detto che l’elettrone (cioè la materia) starà confinato nella sua orbita finché non si troverà ad interagire con un fotone (vale a dire radiazione elettromagnetica). Se un fotone, che è una particella di luce, cede energia all’elettrone, quest’ultimo incrementa la propria energia e salta su un’orbita più alta. Ciò in quanto ad ogni orbita corrisponde un certo livello di energia, e ad orbite più lontane dal nucleo sono legate energie superiori. Quindi, quanto più i fotoni sono energetici, tanto più gli elettroni saltano su orbite esterne.

“In ogni caso l’elettrone, se non esiste un’emissione continua di fotoni che lo mantengano ad un certo livello di energia, tende a scendere di nuovo nell’orbita a minore energia. Ciò avviene semplicemente perché gli elettroni, che sono di carica negativa, sono attratti dalla carica positiva che si trova nel nucleo atomico: in tal modo essi tenteranno sempre di avvicinarsi il più possibile al centro dell’atomo” spiega Teodorani.

L’elettrone rispetta la legge di conservazione dell’energia: assorbe un fotone e salta su un’orbita superiore, conferendo instabilità all’atomo, poi emette il fotone precedentemente assorbito e torna sull’orbita di partenza, consentendo all’atomo di riacquisire la sua configurazione di equilibrio.

4) Cosa succede se l’elettrone riceve dal fotone un’energia maggiore rispetto a quella che lo tiene legato all’atomo ?

Grazie all’energia ricevuta dal fotone, l’elettrone salta su orbite sempre più alte. Giunto all’ultima orbita, se l’energia del fotone è sufficiente, l’elettrone salterà fuori dall’atomo. L’atomo che ha perso uno o più elettroni viene definito atomo ionizzato. Esso non è più elettricamente neutro poiché le cariche negative (cioè gli elettroni) sono diminuite. Visto che le cariche positive ora prevalgono, l’atomo diventa positivamente carico.

5) Un atomo può perdere tutti i suoi elettroni ?

Sì, e ciò si verifica quando esso viene investito da un’energia elevatissima. Dato che l’energia è legata alla temperatura, un posto dove cercare atomi ridotti al solo nucleo è la zona interna del Sole e delle stelle, dove le temperature sono straordinariamente alte. Questo è il regno del plasma, vale a dire quello stato della materia che consiste in un miscuglio di nuclei atomici ed elettroni liberi.