Le particelle subatomiche

-Con questo articolo inizio una serie dedicata alla scienza, fisica, medicina, chimica e chi più ne ha più ne metta. L'obiettivo è scovare argomenti difficili ma spiegati in maniera semplice, in modo da far comprendere tutto a tutti. Chiaramente non sono io l'autore degli articoli, ma come sempre metterò il link. Mi auguro che chi legga trovi interessanti queste cose che, almeno a me, incuriosiscono molto. Buona lettura a tutti-

Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di materiali e forme di materia,ma sorprendentemente questa grande varietà di materia è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali.

La parola fondamentale e/o elementare sarà una parola chiave lungo tutto il nostro percorso di esplorazione dell'infinitamente piccolo. Per mattoni fondamentali intendiamo oggetti privi di una struttura interna, ovvero oggetti che a loro volta non possono essere scomposti in entità più piccole.

L'idea dell'esistenza di tali entità fondamentali risale al tempo dell'antica Grecia, ai filosofi greci Leucippo e Democrito nel V secolo avanti Cristo. Essi credevano che tutta la materia dell'Universo fosse fatta di piccolissimi mattoni indivisibili (che essi chiamarono atomi, che in greco significa appunto "non divisibile") separati dal vuoto.

Aristotele, invece, sosteneva che "la natura aborre il vuoto" e immaginava che la materia fosse indefinitivamente divisibile in parti sempre più piccole. L'opinione di Aristotele prevalse, e l'ipotesi dell'atomo fu quasi completamente dimenticata per più di duemila anni.

Per più di duemila anni l'idea di Aristotele ebbe quindi la meglio; ma a partire dal diciottesimo secolo gli scienziati, con una serie di scoperte che hanno dato origine alla chimica moderna, hanno dimostrato che tutte le sostanze sono scomponibili in piccolissimi costituenti corpuscolari, troppo piccoli per essere osservati con le tecniche dell'epoca. Seguendo la tradizione greca i chimici chiamarono tali costituenti atomi.

Questa denominazione ebbe successo: i vari elementi chimici vennero catalogati in gruppi che mostravano proprietà simili, e da questo procedimento derivò La Tavola Periodica degli Elementi

In seguito, i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa, chiamati elettroni.

Nuclei ed elettroni si combinano in diversi modi, tali da determinare le diverse proprietà chimiche osservate.
Per un certo tempo, i fisici pensarono che gli elettroni e il nucleo fossero gli atomi dei greci, le particelle elementari di cui tutta la materia è composta. Avevano solo parzialmente ragione; infatti, mentre l'elettrone è ancora oggi ritenuto indivisibile, nuovi esperimenti mostrarono che il nucleo atomico non è una particella fondamentale.

Il nucleo atomico è una particella fondamentale?
No, poichè anche il nucleo ha una struttura interna: esso è composto da particelle con carica elettrica positiva, chiamate protoni, e da particelle prive di carica elettrica, chiamate neutroni. Protoni e neutroni sono genericamente chiamati nucleoni.

Allora i protoni e i neutroni sono particelle fondamentali ?
No. Protoni e neutroni sono composti di particelle ancora più piccole, chiamate quark . Negli anni 60 un esperimento eseguito a SLAC (Stanford Linear ACcelerator) e una serie di esperimenti eseguiti in Italia nei Laboratori di Frascati presso l'acceleratore ADONE, dimostrarono infatti che neanche i protoni e i neutroni sono elementari . Protone e neutrone sono ognuno composti di tre particelle più piccole, alle quali è stato dato il nome di quark su proposta del fisico Murray Gell-Mann, che ne aveva già ipotizzato l'esistenza prima della scoperta.

Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark insieme agli elettroni sono particelle fondamentali in quanto non possono essere ulteriormente scomposti in entità più piccole.

Per avere un' idea del diametro di un atomo dobbiamo prendere un metro, dividerlo in un miliardo di volte e poi ancora in dieci parti! Per indicare questa misura si scrive 10-10 m (cioe’ un metro diviso per 10000000000). Le dimensioni dei nuclei sono 10-4 volte più piccole (cioè diecimila volte più piccole) di quelle dell'atomo. Insomma tra i diametri del nucleo e dell’atomo c’e un rapporto pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di San Pietro a Roma.

Poiché il volume è proporzionale al cubo dei diametri, la proporzione tra la materia solida e lo spazio vuoto in un atomo è pari a 10-12: un milionesimo di milionesimo. Questo significa che se dividiamo lo spazio occupato da un atomo in un milione di cellette e poi ogni celletta in un milione di parti, solo una di queste è occupata da materia, tutte le altre sono vuote!
E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò vuol dire che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia.

Aristotele aveva veramente torto: la materia è essenzialmente composta dal vuoto. L'unica ragione per cui il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti ci sembrano cosi solidi e impermeabili, è perché tali quantità infinitesimali di materia sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibili ma potentissime molle.

In conclusione, le domande fondamentali che dobbiamo porci per imparare a conoscere il mondo che ci circonda sono:

Quali e quanti sono i costituenti fondamentali della materia?

Quali sono e come agiscono le forze o interazioni tra i costituenti fondamentali della materia?

Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un solo grammo di materia! La sua massa è infatti:

me = 9.1 × 10-28 gr

Il raggio dell'elettrone è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo inoltre che è privo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole. Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo "e-" e la sua carica elettrica per convenzione è negativa. La carica dell'elettrone Qe viene identificata come carica elementare. In questo modo, la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare Qe.

La scoperta degli elettroni, nel 1897, da parte di J.J. Thompson, ha messo in evidenza per la prima volta l'esistenza delle particelle elementari, o meglio la natura non continua della materia.

Il protone è, insieme al neutrone, uno dei 2 costituenti del nucleo atomico. Il protone è molto più pesante dell'elettrone; la sua massa è infatti circa 2000 volte quella dell'elettrone.

mp = 1.67 × 10-24 gr

Il raggio del protone è

rp = 1 fm (1 fm = 10-15 m)

Questa grandezza viene chiamata fermi (fm) dal nome del grande fisico italiano Enrico Fermi, ed è spesso usata per le misure atomiche e subatomiche. Per ottenere un fermi dobbiamo dividere un metro in un miliardo di parti, poi dividere quanto ottenuto in un milione di parti! Il protone viene comunemente abbreviato con il simbolo “p”, e la sua carica elettrica è uguale a quella dell'elettrone ma ha segno opposto, ovvero è positiva: QP = + e
Storicamente, la scoperta del protone non è legata ai risultati di un esperimento preciso, come è invece avvenuto per le altre particelle: infatti, intorno al 1920, si accertò che non esisteva alcun componente nucleare di carica positiva più leggero dell'atomo di idrogeno (ricordiamo che la massa degli elettroni è trascurabile rispetto a quella dei protoni) e si arrivò alla conclusione che il costituente fondamentale dei nuclei atomici fosse il nucleo di idrogeno, che fu chiamato protone (dal greco proton, che significa “primo”)

Il neutrone è, insieme al protone, uno dei 2 costituenti del nucleo atomico. La massa del neutrone è di circa 10% maggiore a quella del protone. Il raggio del neutrone è rn = 1 fm, come quello del protone.
Il neutrone viene comunemente abbreviato con il simbolo “n”, e non possiede carica elettrica, ovvero è una particella elettricamente neutra. Nel 1930, W. Bothe e H. Becker osservarono l'emissione di radiazione neutra mentre bombardavano con particelle alfa (nuclei di elio) un bersaglio di berillio. Nel 1932, Chadwick, sulla base dei risultati di alcuni esperimenti da lui eseguiti su questa nuova radiazione, constatò che questa non poteva essere radiazione elettromagnetica (fotoni), ma particelle neutre (cioè con carica elettrica nulla) di massa circa uguale a quella del protone; il neutrone. Come riconoscimento per i risultati ottenuti con le sue ricerche, Chadwick fu insignito del premio Nobel per la fisica nel 1935.

Come abbiamo già accennato, negli anni 60 i fisici dimostrarono che il protone e il neutrone sono entrambi composti da particelle più piccole: i quark. Protone e neutrone sono composti da due varietà di quark chiamati up e down. Il protone è composto da tre quark, per l'esattezza due quark up e un quark down. Ogni quark up trasporta una quantità di carica elettrica positiva pari a due terzi della carica di un elettrone (ma di segno opposto). Ogni quark down trasporta una quantità di carica negativa, di grandezza pari a un terzo della carica dell'elettrone. Quindi, la carica complessiva del protone è unitaria e positiva (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1). Anche il neutrone è composto da tre quark, per l'esattezza due quark down e un quark up. Quindi, la carica elettrica complessiva del neutrone è nulla (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0). I costituenti fondamentali, i mattoni ipotizzati dai greci di cui tutto il mondo intorno a noi è costituito, sono finalmente stati identificati? Forse, ma sicuramente non sono soltanto elettroni e quark up e down! Nel 1956, i fisici F. Reines e C. Cowan scoprirono un'altra particella indivisibile: il neutrino, che peraltro era già stato previsto qualche anno prima dal fisico teorico W. Pauli. Esperimenti successivi hanno mostrato che il quadro dei costituenti fondamentali della materia non è ancora completo: esistono infatti altri tipi di quark oltre a quelli up e down. Non solo: esistono altre particelle simili all'elettrone e al neutrino . Oggi i fisici hanno sperimentalmente dimostrato l'esistenza di tre famiglie di particelle elementari del tutto simili tra loro, tranne per le masse. Queste particelle, raggruppate in tre famiglie, sono alla base del modello teorico denominato Modello Standard, che tenteremo di descrivere in un percorso ad esso dedicato.

...ma, forse, la storia ancora una volta non è finita!

Alcuni fisici teorici ritengono che anche i quark non siano elementari e che, quando saremo in grado di ispezionarli con precisioni oggi irraggiungibili con le attuali tecnologie, ci accorgeremo che sono scomponibili in elementi chiamati "string" (in italiano corde) che possiamo immaginare come dei minuscoli filamenti oscillanti.

Le loro dimensioni sarebbero tali che, partendo da un protone, per ottenerne una misura eguale, dovremmo dividerlo in un milione di parti, poi dividere ognuna di queste parti ancora un milione di volte e poi dividere quanto ottenuto in cento parti. La loro esistenza non è oggi dimostrabile ma, se esistessero, risolverebbero alcuni problemi ancora insoluti.
Ma questa è tutta un' altra storia...