“Siamo polvere di stelle” 4/5-Atomo, approfondimenti

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5 affascinanti approfondimenti sull’atomo

Dopo la parte propedeutica sull’ABC dell’atomo, in questa parte integrativa aggiungo degli approfondimenti davvero affascinanti che meritano particolare attenzione e riflessione, invitando ciascuno di noi ad essere un po’ visionario:

“Doc” in “Back to the Future”

1 – l’atomo è vuoto
2 – com’è la vita di un atomo?
3 – le 4 forze o interazioni fondamentali
4 – si può fotografare l’atomo?
5 – differenze tra orbite ed orbitali

Appendìce 1
“L’atomo è vuoto”

Una finestra sulla fisica quantistica. Tieniti forte!

Il 99,9 % dell’atomo è vuoto!
In realtà noi ci libriamo a distanza di un nanometro
sopra la sedia su cui siamo seduti

“There are more atoms in a glass of water than glasses of water in all the oceans in the world”
“Ci sono più atomi in un bicchiere d’acqua, che bicchieri d’acqua in tutti gli oceani del mondo”

Attento però!
Di che “vuoto” si tratta?

Il vuoto presente negli atomi NON è il vuoto classico ovvero l’assenza di materia, bensì il vuoto quantistico composto da fluttuazioni quantistiche che generano e annullano le particelle. Nel senso che nascono e cessano di esistere contemporaneamente.

Qualche esempio per visualizzare le dimensioni reali di un atomo:

  • il diametro di un capello umano, così sottile e quasi impalpabile, corrisponde a circa 1 milione di atomi di carbonio disposti in fila
  • se una mela diventasse della dimensione della Terra, gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale
  • se il nucleo di un atomo fosse della grandezza di un pallone di calcio, l’elettrone più vicino si troverebbe a 800 metri di distanza
  • se dovessimo togliere tutto lo spazio vuoto negli atomi che costituiscono un essere umano, lui o lei sarebbe molto più piccolo di un granello di sale!
“Ant-man”
  • se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni che compongono tutti gli esseri umani del pianeta, allora tutti i 6 miliardi di abitanti della Terra ci starebbero nello spazio di una mela!

E il nucleo? Una simulazione a Roma – Italia

Questo atomo è tuttavia enorme se confrontato con il suo nucleo, che sta al centro. Nell’immagine dell’atomo-mela, il nucleo sarebbe così piccolo da non poterlo nemmeno vedere. Ti propongo allora questa simulazione che aiuta a visualizzarlo.

Per poter finalmente distinguere i componenti del nucleo dell’atomo, in questo caso di Idrogeno H, è necessario ingrandire l’atomo stesso fino alle dimensioni della più grande cupola al mondo, quella della Basilica di S.Pietro a RomaA questo punto il protone è diventato grande come un pisello, al centro della cupola (in realtà sarebbe ancora più piccolo, probabilmente come la capocchia di uno spillo), con un granello di polvere (elettrone-) che gli turbina intorno, fuori dalla basilica, a formare pareti e volta!

“E’ quindi tutto vuoto? Proprio vuoto NO, la forza elettromagnetica che li lega evita che sia tutto vuoto. Anche se non c’è materia, c’è una forza!”

Ci ha lasciati proprio in questi giorni David Prowse, l’attore britannico che interpretava il famoso Darth Vader in Guerre Stellari

Adesso, forse, ti starai domandando:

  • come mai se ci sediamo sulla sedia non cadiamo per terra?
  • inoltre, se 2 corpi sono fatti praticamente di nulla, com’è possibile che, se si scontrano, si respingano?

Risposta

2 elettroni- NON possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico. Quindi, quando 2 elettroni- si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi automaticamente, come 2 calamite di polo identico (“Principio di esclusione di Pauli”), ricordi la foto?!

Detto in modo più tecnico, le molecole che compongono la materia non possono essere spinte arbitrariamente una contro l’altra, poiché gli elettroni- di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni- di un’altra molecola, credo che ora tu possa capirlo.

Quindi, tornando alla domanda sulla sedia, quando ci sediamo pensiamo di toccarla appoggiandoci sopra il corpo, ma in realtà ci stiamo semplicemente librando a meno di un nanometro di distanza dalla seduta, respinti dalle forze elettriche e quantistiche dell’oggetto-sedia.

Sono quindi le forze quantistiche che entrano in gioco tra gli elettroni- delle varie molecole a renderci “solidi”.

Nel mondo quantistico la gravita c’è, ma conta poco perché abbiamo a che fare con masse estremamente piccole e quindi vincono le interazioni elettromagnetiche.
Nel mondo macroscopico invece la gravità conta proprio perché abbiamo masse enormi, e ogni massa emette un campo gravitazionale.

Secondo la legge chiamata “Principio di indeterminazione di Heisenberg” gli atomi sono in più di un posto contemporaneamente fino a quando un osservatore cosciente non li guarda.
Sappiamo che una volta che trilioni di atomi si uniscono per creare oggetti di uso quotidiano, come la tua mano, smettono di comportarsi in un modo strano, ma nessuno sa davvero quando e come passano da uno stato all’altro!

Appendìce 2
Com’è la vita di un Atomo?

Gli atomi sono in costante, continuo cambiamento

  • instaurano legami (condividendo elettroni-)
  • si scindono da molecole (conservando o abbandonando elettroni-)
  • e soprattutto scambiano elettroni (diventando Ioni+ e Ioni)

Perché avvenga questa reazione, però, è necessario che siano vicini tra loro due o più atomi, perché gli elettroni- persi da qualcuno devono essere acquisiti da altri.

Elettrone-

  • il moto dell’elettrone- genera un campo magnetico
  • la variazione della sua energia e della sua accelerazione causano l’emissione di fotoni
  • è, inoltre, responsabile della conduzione della corrente elettrica e del calore

Neutrone

  • particella subatomica costituita da 2 quark down e 1 quark up (esattamente l’opposto del protone+)
  • compone i nuclei assieme al Protone+, con il quale si trasforma in continuazione

Protone+

  • composto da sub-particelle elementari, 2 quark up e 1 quark down (esattamente l’opposto del neutrone)
  • particella complementare al neutrone, con il quale si trasforma in continuazione
  • pur con la stessa carica elettrica, più protoni+ rimangono legati insieme grazie alle interazioni fondamentali

Le ultime scoperte scientifiche ci illuminano sul fatto che i protoni+ e i neutroni sono costituiti da particelle ancora più piccole come i quark, i bosoni, i neutrini(vedi post Atmosfera 3/4, finestra Raggi Cosmici)

Appendìce 3
Le 4 forze o interazioni fondamentali

Faccio qui solo un accenno, in modo che tu ne sia almeno a conoscenza.

1 – interazione gravitazionale
forza di gravità, è la più debole, perché per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di materia

2 – interazione elettromagnetica
quella che attira gli elettroni verso il nucleo, abbastanza debole

3 – interazione nucleare debole
responsabile del decadimento di alcune particelle nucleari, il decadimento dell’atomo è detto radioattività

4 – interazione nucleare forte
la forza che permette ai protoni di rimanere uniti tra di loro. La sua azione incollante è la più forte delle 4 e permette di contrastare efficacemente la repulsione coulombiana – forza esercitata dal campo elettrico su di una carica elettrica, si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi –

Grazie alla forza nucleare forte, non solo rimangono uniti i protoni tra loro, ma anche i neutroni. Protoni e neutroni si trasformano gli uni negli altri in continuazione. I quark a volte si trasformano da up in down e viceversa, causando il cambiamento dei protoni i quali diventano neutroni e viceversa.

Nell’immagine sopra, come mettere insieme i protoni nel nucleo e tenerceli:

  • forze disgreganti(a sinistra):
    – l’alta temperatura (in astronomia ne sono esempi perfetti le stelle ma non solo)
    – la repulsione elettrostatica
  • forze aggreganti(a destra):
    – l’alta pressione che compatta
    – l’interazione forte (importante quando vedremo l’Evoluzione stellare)

Ecco qui una rappresentazione grafica della repulsione Coulombiana per cui particelle dello stesso segno si respingono, vale infatti sia per gli elettroni- che orbitano all’esterno, che per i protoni+ all’interno del nucleo

Anche i quark vengono tenuti insieme tra loro dalla 4^ forza. Il decadimento dei quark produce altre particelle: tra esse, bosoni e antineutrini. Si chiama decadimento beta e comporta la radioattività.

Curiosità sull’atomo di Uranio (Z = 92, A = 235)

Nell’atomo di Uranio, che ha ben 92 protoni+, ci sono addirittura 143 neutroni! Come mai un tale numero spropositato?

Il numero così alto di neutroni serve a fare sì che i protoni+, che sono così tanti e vicini, non si disturbino (come detto infatti, cariche uguali si respingono)Se ci fossero solo i 92 protoni+, esploderebbero in tutte le direzioni, mentre solo 92 neutroni non sarebbero sufficienti a contrastare la forza esplosiva. 143 neutroni diluiscono questa forza di repulsione.

Appendìce 4
Si può fotografare l’atomo?

rielaborazione di un articolo dal blog Warp Drive

Per chi non lo sapesse, l’atomo è invisibile a occhio nudo perché microscopico, non solo ma ci vogliono microscopi molto potenti per avvicinarsi!

L’atomo non è fotogenico, si fa desiderare

E’ difficile anche averne una fotografia poiché, secondo il principio di Heisenberg, non è possibile avere contemporaneamente sia la posizione che la velocità dell’elettrone-; in pratica nel momento in cui tenti di fotografarlo, è già in un’altra posizione.

Il “principio di indeterminazione” di Heisenberg (punti 1 e 2) ti vieta di vedere esattamente un atomo, perché se fotografi un atomo ci sono due possibilità:

  1. usi fotoni di bassa energia – in questo caso non disturbi l’atomo, ma hai una scarsa conoscenza della sua posizione
  2. usi fotoni di alta energia – in questo caso hai una buona conoscenza della posizione ma perdi le informazioni sulla sua velocità

Per fotografare un Atomo si deve determinare la sua posizione e la sua velocità in un dato tempo. Immortalarlo in pratica… per fare ciò sarebbe necessario bombardarlo con un fotone e aspettare una risposta dal sistema. Ma, al momento in cui si colpisce un atomo con un fotone, esso acquista energia… variando di conseguenza la sua velocità… e quindi cambiando posizione… insomma, sfugge sempre all’obiettivo della nostra “macchina fotografica atomica”.

Flash de “Gli Incredibili”

Unica eccezione il fisico quantistico David Nadlinger dell’Università di Oxford che il 7 agosto del 2017 (proprio il periodo di uscita di questa serie) è riuscito a fotografare un singolo incandescente atomo di Stronzio …

Credit: David Nadlinger / Università di Oxford / EPSRC

… illuminato da un laser, con una semplice macchina fotografica, una reflex digitale Canon!

Credit: David Nadlinger / Università di Oxford / EPSRC

Al microscopio a scansione elettronica è possibile sì “fotografare”, ma si tratta di una rappresentazione “equivalente” della disposizione di atomi e particelle e non di una scena direttamente ripresa dalla realtà, come la vedremmo noi.

Si può quindi fotografare un atomo?

SI, si può! Ma non come pensi tu: non puoi vederlo “dal vivo” e non puoi fotografarlo nella maniera convenzionale, non sono le foto che sei abituato a vedere di solito.

Si utilizza un mezzo tecnologico che in qualche modo rende visivamente accessibile l’informazione che senza di esso sarebbe persa. “Vedere” cosa c’e’ in un atomo lo si può fare solo in maniera indiretta, utilizzando dei metodi non ordinari come il microscopio: vengono infatti usati gli acceleratori di particelle che frantumano l’atomo nei suoi componenti fondamentali.

la prima “foto” (elaborazione processata) di un atomo di Idrogeno H

Appendìce 5
Differenze tra “orbite” ed “orbitali”

Orbite

  • ad esempio quella di un satellite
  • aree semplicemente bidimensionali
  • quelle dei pianeti del Sistema Solare attorno al Sole

Orbitali

  • pattern di energia che vibra in posizione probabilistica (un volume in cui la probabilità di trovare l’elettrone- è maggiore di altri volumi)
  • volumi percorsi da elettroni-
  • l’elettrone- ha un moto molto più complesso di un’orbita planetaria, si muove in uno spazio 3D probabilistico corrispondente ad un livello energetico

Questa rappresentazione, con cui ho aperto il post, non è più realisticamente rappresentativa dell’atomo! Non è più una pallina con dei satelliti intorno che ruotano su una circonferenza …

L’atomo è più simile a energia condensata, che vibra e in qualche modo interagisce con l’esterno con le stesse vibrazioni, dove gli orbitali diventano la superficie di una sfera, o quasi… una sorta di gusci, involucri.

rappresentazione digitale degli orbitali “s” (sferici) e “p” (a 2 lobi)

Tutte le particelle a livello quantico non sono più delle “masse”, soggette alle leggi della fisica classica, ma sono, come i fotoni per esemplificare, allo stesso tempo particelle e vibrazioni energetiche.

Esistono dei microscopi elettronici a trasmissione tanto potenti da “vedere” il singolo atomo (e anche uno dei più piccoli, il litio!): sono detti HRTEMHigh Resolution Transmission Electron Microscope e alcuni di essi arrivano alla risoluzione di 0.5 A (cioè mezzo angstrom; gli atomi hanno raggi compresi tra 0.25 e 3 A).

Nel prossimo post, a un passo ormai dal culmine di questa serie sull’Evoluzione Stellare, tratto separatamente ma anche sinteticamente un argomento che non si può tralasciare, facendo parte integrante della chimica dell’atomo. Arrivederci a presto!

Link della serie:
 Siamo polvere di stelle” 1/4 – corpo umano e ambiente terrestre
(Elementi e chimica: il “continuo ciclo degli elementi tra le sfere terrestri, litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera”)
 Siamo polvere di stelle” 2/5 – gli elementi nel corpo umano
(4 costitutenti, 7 macro e 39 micro e oligo elementi, di cui 19 essenziali)
 Siamo polvere di stelle” 3/5_A – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, tutti gli essenziali)
 Siamo polvere di stelle” 3/5_B – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, i non essenziali ed “elenco dei materiali di Bio-edilizia”)
 Siamo polvere di stelle” 4/5-ABC dell’Atomo
(breve ripasso di chimica e fisica propedeutico all’evoluzione stellare: atomi, ioni, isotopi, livelli energetici, Quanti e molecole)
“Siamo polvere di stelle” 4/5-Atomo, approfondimenti
(5 affascinanti approfondimenti sull’atomo: è vuoto? com’è la sua vita? le 4 interazioni fondamentali? si può fotografare? orbite o orbitali?)
 Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica degli Elementi

(ultimo passo propedeutico all’Evoluzione Stellare; non può mancare un breve ripasso della Tavola scientifica più famosa)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica, integrazioni
(non devi assolutamente perderti la PTE del “corpo umano” e il “Chemical Party”, oltre alle Tavole dinamiche e alternative)

 Siamo polvere di stelle” 5/5_1ob – Evoluzione stellare: origini e nascita
(1ob – dalla nascita all’età adulta: si accende o non si accende questa stella? Primo scoglio delle 0,08 masse solari!)
Siamo polvere di stelle” 5/5_2mss – Evoluzione stellare: Sequenza e Sole
(2mss – Sequenza e Sole: l’età adulta nella Sequenza Principale e il destino di stelle come il Sole e più piccole, secondo scoglio delle 4 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_3dt – Evoluzione stellare: morte e trasformazione
(3dt – Morte e Trasformazione: le stelle molto più massicce del Sole hanno “le ore sempre più contate”, cosmicamente parlando, e quando esplodono lasciano un testimone davvero eccezionale! Terzo scoglio delle 8 masse solari)

Link utili:
– “La prima foto (rarissima) di un singolo atomo“, di Marta Perroni, TPI.it
– “Piccola scoperta che ha aperto nuove frontiere” di Paul Sen, articolo della BBC sull’atomo
– “Il Tao della Fisica” di Fritjof Capra
– “La Fisica del Futuro” di Kaku Michio

Fisica prime ITI 18-19
– slideplayer “la struttura dell’atomo
– slideplayer “corso di chimica e propedeutica biochimica” 2008-2009 Istituti Biologici
– “Materializzare energia, Blog Warp Drive

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