EBook ita FisicaLAtomo La Relatività e La Meccanica Quantistica.docx

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EBookitaFisicaLAtomoLaRelativitàeLaMeccanicaQuantistica

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