EBook ita FisicaLAtomo La Relatività e La Meccanica Quantistica.docx
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L'ATOMO
elesueparticelle
(eforsequalchestringa)
Benchél'ipotesisull'esistenzadiun'unitàminimadellamateriarisalgaallafilosofiagreca(tipoDemocrito),laconoscenzadellarealestrutturadell'atomoèunaconquistarelativamenterecente(ecosìsiscopriràchel'unitàminimadellamaterianonècosìminimaquantosipossapensare).
Ciòcheoggichiamiamoatomo(àtomoi=senzadivisione),lungidall'esserel'indivisibiledicuiteorizzavaDemocrito,èunsistemacomplessodiparticellesubatomicheeforzecontrobilancianti.
Lastrutturaatomica.L'atomoècompostodaunnucleoacaricaelettricapositivaedaunoopiùelettroniacaricaelettricanegativacheorbitanoattornoadesso(inrealtàglielettroni,seguendoleleggidellameccanicaquantistica,nonseguonoun'orbitaellitticaeregolarecomeipianeti,maformanouncaoticoeirregolareintrecciodiscieadaltissimavelocitàcheavvolgonoilnucleoatomicoinunasortadinube).
Ilnucleoatomico,asuavolta,ècompostodaduetipidiparticelle:
iprotonieineutroni.Iprotonihannocaricaelettricapositivaeineutronicaricaelettricanulla.
Vistoeconsideratochel'atomohacomplessivamenteunacaricaelettricanulla,iprotonisonosempreaccompagnatidaunugualenumerodielettroniinmododaannullareavicendalerispettivecariche.
Einteressantesaperecomeledimensionidelnucleosianoestremamenteminimerispettoallimitedelleorbitetracciatedaglielettroni:
separagoniamoledimensionidiunatomoalledimensionidiunastanza,ilnucleosaràgrandepiùomenocomeunabricioladipaneeglielettronicompirannoleloroorbiterasentandoimuri.
L'elettricitàelequattroforze.Daquandol'esperimentodeterminalavaliditàdelleleggidellafisica,sappiamochecaricheelettricheugualisirespingonoecaricheelettrichediversesiattraggono.
ConbuonapacediHumeedelsuoscetticismo,ifisicihannodedottotaleleggedallaripetutaabitudinedellamateriaareiterareinmodocostanteisuoicomportamenti.
Sieraconstatatoche,strofinandol'ambraconunpanno,ilpannostessovenivaattrattodallamateriastrofinata:
ciòerapossibileperchégliatomisuperficialidell'ambraperdevanoelettroni(piùleggerideiprotoni).L'ambrarisultavacosìaprevalenzadicarichepositive(iprotonieranolamaggioranza),mentreilpanno,caricodeglielettronisottratti,risultavaaprevalenzadicarichenegative.
Laleggedell'attrazioneelettrica(daelectrum=ambra)ponevaeponetutt'oraunquesitofondamentale:
comepossonoiprotoni,chehannocaricaelettricauguale,rimanereunititralorocosìsaldamente?
Ifisicihannodedottodallostatodellamaterial'esistenzadiquattroforzedeterminanti:
1.Laprimaforzaèlaforzanucleareforte(chefantasia!
),èlaforzachepermetteaiprotonidirimanereunititraloro,lasuaazioneincollanteèlapiùfortedellequattro,inquantoriesceatenereunitil'unocontrol'altroprotoniconlastessacarica;
2.Lasecondaforzaèlaforzanuclearedebole(idem),èresponsabiledeldecadimentodialcuneparticellenucleari(nontuttigliatomisonostabiliallorointerno,capita,peralcunidiessi,cheperdanoperstradaqualcheparticellaechesprigioninocosìdell'energia,oltreadareorigineanuoveparticelle),ildecadimentodiunatomoèdettoradioattività;
3.Laterzaforzaèlaforzaelettromagnetica,tieneunitiglielettronialnucleoedèpiùdeboledellaprimaforza;
4.Laquartaforzaèlaforzadigravità,èlapiùdeboleditutte,inquantoperesseredeterminantenecessitadellapresenzadigrandimassedimateria(tipoNewton).
IQuark.Nontutteleparticellechecompongonol'atomosonoparticelleelementari,ciòvuoldirechealcuneparticellesonoalorovoltacompostedaaltreparticellepiùpiccole.Inparticolareilprotoneeilneutronesonocompostidatreparticelledettequark.
PotrebbeessereinteressantesaperecheilnomeditaliparticelleèpresodaunpassodelFinnegansWakediJamesJoyce,esarebbelacontrazionediquestionmark,ovveropuntointerrogativo.
Iquarksonointuttosei,essisidistinguonopermassaecaricaelettrica.
1.QuarkUp(quarksu),dettoanchequark-u.Hamassadi9per10allameno30,ovvero9precedutoda30zeri,caricaelettricapariadueterzidiquelladelprotone.
2.QuarkDown(quarkgiù),dettoanchequark-d.Hamassadi1.8per10allameno29,caricaelettricapariamenounterzodiquelladelprotone.
3.QuarkStrange(quarkstrano!
),dettoanchequark-s.Hamassadi3.5per10allameno28,caricaelettricapariamenounterzodiquelladelprotone.
4.QuarkCharm(quarkincanto!
?
),dettoachequark-c.Hamassadi2.3per10allameno27,caricaelettricapariadueterzidiquelladelprotone.
5.QuarkBottom(quarksotto),dettoanchequark-b.Hamassadi7.7per10allameno27,caricaelettricapariamenounterzodiquelladelprotone.
6.QuarkTop(quarksopra),dettoanchequark-t.Hamassadi3.1per10allameno25,caricaelettricapariadueterzidiquelladelprotone.
Ilprotoneècostituitoda3quark,2ditipoupe1ditipodown,ilneutroneda1ditipoupe2ditipodown.
Sequalcunovorràprendersilabrigadicalcolarelasommadellerispettivecarichedeiquark,siaccorgeràchenelcasodelprotonelacaricarisultanteequivalealvaloreinterodellacaricaprotonica,mentreperilneutrone,lasommadelletrecarichedaràcomerisultatozero,ovverol'annullamentodellacarica.
Iquarkvengonotenutiinsiemetralorodallaforzaforte,lastessachelegatraloroprotonieneutroni.Iquarkinoltredecadono,acausadellaforzadebole.Essiavoltesitrasformanodaupadowneviceversa,cambiandoinquestomodoancheiprotoni,iqualidiventanoneutronieviceversa.Illorodecadimentoproducealtreparticelle,tralequaliibosoniegliantineutrini(ciòèdefinitodecadimentobeta,comportamentoradioattivitàscopertodaFerminel1933).
L'esistenzadeiquarkchenonappartengonoallafamigliaprimariadegliupedeidownèstatadedottadaaltriprocessididecadimento,iquarksembrasipossanoosservaresempreaccoppiati,eccoperchéadunquarkupcorrispondesempreunquarkdown,adunstrangeuncharm,eadunbottomuntop.
Lasperanzadivenirneacapo,ovverolestringhe.Cos'èlateoriadellestringhesenonuntentativodivenireacapoall'infinitasuddivisionedellamateriainparticelle?
Questateoriaancoraincorsodisviluppo(peralcunilaverarivoluzionescientificadelterzomillenniocasualmenteiniziatanelsecondo),cercadiconsiderareleparticelledaunnuovopuntodivista:
perlateoriadellestringhe,leparticellenonsarebberooggettipuntiformimadeilacci,dellecordicellevibranti.
Quest'ipotesinascedall'esigenzaditrovareunateoriaelegante,ovverounateoriachepossamettereunpo'd'ordinenell'infinitaparatadiparticelleeiterazionichesisonotrovatedavantiifisicinelcorsodel'900echespieghiognifenomenofisicopartendodaalcunisempliciassunti.
Alcuniipotizzanochelestringhenonsianonemmenocorde,matubicini,caviallorointerno,attornoaiqualisitrovinoarrotolatesusestessedimensionispazio-temporaliignoteeinaccessibiliechelestringhepossanoesseresiaditipoapertochechiuso(adanello).
Inognicaso,dimostrarelaloroesistenzaeleloroproprietàdibasesignificherebbesemplificaredimolto(almenoallivelloteorico)lacomplessitàdeimodelliatomiciesubatomicicontemporanei,certamenteunasfidaaffascinante.
AlbertEINSTEIN:
Relativitàristrettaegenerale
Maxwellteorizzaleondeelettromagnetiche
Nel1864loscienziatoingleseJamesClerkMaxwellscoprecheleleggichegovernanol'elettricitàeilmagnetismosonocosìconnessetralorodaimplicarel'esistenzadiondeelettromagnetiche:
unacaricaelettrica(adesempiounelettrone)cheoscillanellospaziogenerauncampoelettromagneticochesipropagasottoformadionda.
Leondeelettromagnetichehannounavelocitàpariaquelladellaluce,lalucestessaèun'ondaelettromagnetica(leondediampiezzasuperioreaunmetrosonoonderadio,quellenell'ordinediqualchecentimetrosonomicroonde,attornoaldecimillesimodimillimetrosonoinfrarossi.Lalucehaunafrequenzatra40e80milionesimidimillimetro,afrequenzeinferioriultravioletto,raggiXeraggigamma).
Ilproblemadell'etere
Aquestopuntolafisicadell'epocaimponevaditrovareunelementoattraversoilqualeleondeelettromagnetichepotesseropropagarsi.
Tuttiimovimentiondulatoridovevanopropagarsiinqualcheelemento:
leondedelmaresipropagavanoattraversol'acqua,leondesonoreattraversol'aria.Vistocheleondeelettromagnetichenonpotevanopropagarsinelvuotosiinventòunelementoperl'occasione,l'etere,prendendoilnomeinprestitodaAristotele.Inquestomodoleondeavrebberoavutounavelocitàassolutainrelazioneall'eteremarelativainrapportoagliosservatori.Gliscienziatisimiserodasubitoallaricercadell'elemento,l'eteredovevaaverecaratteristicheparticolari:
dovevaessereallostessotempoabbastanzadensodapermettereilpassaggiodelleondeetalmenterarefattodanonrallentarelacorsadellaTerraconilsuoattrito.
L'esperimentodiMichelsoneMorley
Nel1887AlbertMichelsonedEdwardMorleysiproposerodiverificarel'esistenzadell'eteremisurandolediversevelocitàdidueraggidiluceprovenientidafontidiverse.Secondolateoria,laluceavrebbeavutounavelocitàrelativanellediversedirezionidipropagazione.
Inparticolarelavelocitàdiunraggiodilucechefossepartitodalsoleindirezioneperpendicolareall'osservatoreequelladiunraggioobliquorispettoallasuaposizionenonsarebberocoincise.Ilprimoraggioavrebbeavutouna