PROTONI NEUTRONI ED ELETTRONI

PROTONI NEUTRONI ED ELETTRONI

Una volta accettata la struttura atomica scoperta da Bohr e Rutherford, i fisici incominciarono a chiedersi quali fossero le leggi che determinano i comportamenti degli elettroni e degli atomi in generale, e da che cosa fosse composto il nucleo. Una volta stabilito che tutti gli atomi di uno stesso elemento semplice (idrogeno, ferro, calcio, ecc.) sono uguali fra loro e hanno la stessa disposizione all'interno della molecola, passiamo all'analisi degli elementi che compongono un atomo. Essi sono tre: i protoni, i neutroni e gli elettroni. Il nucleo di un atomo è costituito da protoni e neutroni strettamente legati fra loro; potremmo inoltre dire che i protoni sono carichi di energia positiva mentre i neutroni (come lo stesso loro nome suggerisce) sono elettricamente neutri.

Attorno al nucleo ruotano gli elettroni, che sono carichi negativamente e la cui massa è di circa 2.000 volte inferiore a quella di un protone. I fisici hanno calcolato che un elettrone pesa mediamente 9X10-28 grammi, il che significa che per ottenere un grammo di elettroni dovremmo accumularne novecento miliardi di miliardi di miliardi. Gli elettroni, il cui numero varia da elemento a elemento, sono in continuo movimento e ruotano attorno al nucleo come i pianeti intorno al sole, con la sola differenza che le orbite sono meno precise. Le ridottissime dimensioni e l'altissima velocità, tipiche degli elettroni, fanno si che l'orbita tracciata da questa piccola particella appaia all'occhio umano come una specie di onda luminosa, in cui è impossibile individuare la posizione dell'elettrone.

Un elettrone, che possiede una carica negativa, è trattenuto nella sua orbita dai protoni del nucleo carichi positivamente; elettricamente le cariche di un elettrone e di un protone si equivalgono e in condizioni di equilibrio un atomo possiede tanti elettroni quanti protoni ci sono nel nucleo.

Il numero di protoni nel nucleo è detto numero atomico e si abbrevia con la lettera maiuscola Z; avendo già detto che tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo, possiamo stabilire che hanno anche lo stesso numero atomico; ad esempio, tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone nel nucleo (Z=1), mentre tutti i nuclei degli atomi di uranio ne contano ben 92 (Z=92).

I neutroni, che non possiedono alcuna carica elettrica, hanno il compito di legare al nucleo più protoni insieme, i quali avendo cariche dello stesso segno, tenderebbero naturalmente ad allontanarsi gli uni dagli altri. A questo punto verrebbe naturale domandarsi: ma come possono i neutroni, che non hanno nessuna carica, a mantenere cosi saldamente uniti i protoni che invece tenderebbero ad allontanarsi? Anche a questo quesito può rispondere la fisica: i protoni sono legati fra loro da una forza cento volte più forte di quella elettrica; questa forza misteriosa prende il nome di interazione forte. La caratteristica più importante dell'interazione forte è che può agire solo da molto vicino; se infatti potessimo porre due protoni a distanza l'uno dall'altro, noteremmo che essi si respingono. Ma se invece riuscissimo ad avvicinarli sino ad una distanza pari alla centomillesima parte di un miliardesimo di centimetro, essi si attrarrebbero reciprocamente, dando origine ad un legame quasi inscindibile.

La fisica moderna, non contenta degli enormi progressi già compiuti in questo secolo, sta cercando di capire la struttura interna dei protoni e dei neutroni. Grazie ad approfonditissimi studi, oggi possiamo dire che all'interno di un protone vi sono tre piccolissime particelle, che gli scienziati hanno chiamato quark. Pur avendo stabilito che i quark di ogni protone sono tre e distinto due categorie fondamentali di queste particelle (esistono infatti quark su e quark giù), gli scienziati non sono ancora riusciti ad isolare un quark. La causa di questo limite è molto semplice: la forza che tiene legati fra loro i tre quark di un protone è troppo potente per essere vinta e studiata in laboratorio. In sostanza potremmo affermare che i quark sono i veri depositari dell'interazione forte.