Il mondo e la sua realtà fisica non sono come ci appaiono. Ciò che sembra solido, duro, denso nella realtà delle particelle subatomiche non è affatto così. L’atomo, l’unità fondamentale della materia, è per buona parte uno spazio assolutamente vuoto e le particelle che lo compongono possiedono delle proprietà straordinarie, che i fisici sanno descrivere con opportune formule matematiche. Definire in termini poetici la materia non è semplice, eppure l’incanto e la meraviglia prendono spesso piede di fronte alle incredibili caratteristiche quantistiche delle particelle.
L’atomo è vuoto
Una delle tappe decisive che ha portato alla scoperta del mondo subatomico avvenne nel 1911, quando il fisico neozelandese Ernest Rutherford, scoprì come l’atomo fosse insolitamente “vuoto”. Per provarlo puntò un fascio di particelle alfa formate da nuclei di atomi di elio su una lamina d’oro. Il risultato lo lasciò interdetto e sorpreso: la maggior parte di esse lo attraversavano come se il metallo fosse fatto di vapore, fosse invisibile. Solo occasionalmente una particella alfa ogni tanto rimbalzava e tornava indietro, colpendo un nucleo atomico. Il motivo per cui molte particelle alfa attraversavano la lamina risiedeva nel fatto che ciascun nucleo occupa solo una frazione infinitesimale del volume dell’atomo. Oggi sappiamo che il raggio di un atomo, definito dagli orbitali prodotti dagli elettroni che circondano il nucleo, misura 0 virgola seguito da 9 zeri con un 1 finale e che il raggio di un nucleo atomico è solo un centomillesimo di questo già insignificante valore. Per fare un esempio col sistema solare, cui spesso erroneamente l’atomo viene paragonato, questo è molto più denso. La distanza tra il nucleo e l’elettrone fornisce un’idea di vuoto che fatichiamo a comprendere, considerato che siamo abituati a considerare le “cose” esistenti (cioè la materia) in base alla loro solidità, alla loro presenza, anche se in diversa forma o stato.
I legami nucleari
Gli elettroni che circondano l’atomo ne controllano anche le peculiarità chimiche. Essi sono attratti dal nucleo, che ha carica opposta positiva, attraverso una delle forze fondamentali, quella elettromagnetica (attraverso interazioni di natura elettrostatica), secondo il principio fisico degli opposti che si attraggono. Il nucleo, al contrario, è composto si da particelle differenti, ma alcune sono provviste di carica positiva (i protoni) altri non possiedono alcuna carica e perciò sono chiamati neutroni. Il nucleo più semplice che conosciamo è quello dell’idrogeno, che possiede un solo protone. Mentre il nucleo dell’elio, che lo segue immediatamente dopo nella tabella periodica (formato da due protoni e due neutroni).
Fusioni nucleari da atomi leggeri ad atomi pesanti
Idrogeno ed elio sono fondamentali: il fatto che siano così semplici è il motivo per cui sono estremamente diffusi nell’universo. Le reazioni di fusione nucleare che si compiono all’interno di una stella non fanno altro che fondere gli atomi di idrogeno per liberare elio. La stessa vita di una stella, un gigantesco reattore nucleare, nella fase finale della sua lunga vita non fa altro che innescare reazioni che fondono atomi semplici in atomi via via più complessi, fino ad arrivare a un nucleo pesante fatto di ferro. Se ci sono le condizioni la fornace stellare esplode in una supernova fondendo atomi ancora più pesanti negli elementi più rari che troviamo in natura: oro, platino, plutonio, uranio per fare solo un esempio.
In un atomo non ionizzato, il numero di protoni è sempre uguale a quello di elettroni, mentre il numero dei neutroni può tranquillamente superare quello dei protoni. I neutroni, per la loro assenza di carica elettrica, possono diluire, ovvero schermare la carica positiva. Se ipotizzassimo un nucleo di 92 protoni esso risulterebbe altamente instabile a causa delle forze elettromagnetiche repulsive esistenti tra le stesse particelle. I neutroni, sempre a dispetto del dispetto del nome, aiutano a tenere unito il nucleo con un tipo di interazione chiamata “nucleare forte”, decisamente più forte della forza elettromagnetica. Per questo motivo per innescare una fusione nucleare occorrono le enormi pressioni in gioco nelle reazioni tipiche di una stella.