L'ATOMO

CARATTERISTICHE GENERALI

L'atomo è la più piccola frazione di un elemento in grado di conservarne le caratteristiche chimiche e fisiche.

L'atomo è una struttura molto complessa costituita da diverse particelle: "protoni" di carica positiva, "neutroni" elettricamente neutri ed elettroni che portano una carica negativa.

Protoni e neutroni, a loro volta formati da particelle elementari dette quark, sono riuniti nel nucleo intorno al quale sono distribuiti gli elettroni.

Il diverso numero di protoni nel nucleo caratterizza i differenti elementi (quelli fin ora noti sono 110) e tale numero è detto "Numero atomico".

Il numero dei "nucleoni", cioè la somma di protoni e neutroni, è definito invece "Numero di massa".

In un atomo elettricamente neutro, il numero di protoni e di elettroni si eguaglia (gli elettroni possono essere in parte perduti o acquistati da un atomo nel corso di una reazione chimica; in tal caso si forma, rispettivamente uno "Ione positivo" e uno Ione e un "Catione" negativo, ma l'individualità chimica dell'atomo rimane inalterata.).

Gli elementi sono ordinati nel sistema periodico secondo il numero atomico degli atomi che li caratterizzano.

Tutti gli elementi posseggono atomi che, pur avendo uguale numero atomico, hanno diversa massa atomica, dovuta alla presenza nel nucleo di un differente numero di neutroni: tali atomi sono detti "isotopi" e alcuni di questi sono

instabili e quindi radioattivi (è per l'esistenza degli isotopi che il numero

di massa di un elemento non è un numero intero, in quanto risulta dalla media pesata dei numeri di massa dei vari isotopi.

Quando due o più atomi di uno stesso elemento si combinano, si formano le molecole "omoatomiche"; se gli atomi appartengono ad elementi diversi, si formano molecole "eteroatomiche" e in tal caso si ottengono i composti chimici.

Gli atomi emettono energia sotto forma di luce, tutta la luce che vediamo da quella del sole a quella delle lampadine, è emessa da corpi caldi, esiste dunque un collegamento fra calore e luce.

Ricordiamo che il calore è una forma di energia, precisamente l'energia degli atomi in movimento.

L'emissione di luce da parte degli atomi può essere spiegata così: aumentando la temperatura gli atomi si muovono con maggiore energia, a questa velocità quando due atomi si urtano viene trasferita energia e un elettrone può essere spostato su un orbita più esterna, ma l'elettrone ricade sull'orbita iniziale e libera l'energia ricevuta dall'urto e questa energia viene emessa sotto forma di luce. Questo dimostra che anche la luce è una forma di energia.

IL NUCLEO ATOMICO

La struttura del nucleo atomico non è ancora ben chiara. Si sa per certo che i nucleoni di uno stesso nucleo non sono a diretto contatto fra loro, ne sono fermi.

Essi si muovono nell'ambito del nucleo e sono legati tra loro da forze a corto raggio d'azione (forze nucleari), le quali sono presenti ed intensissime a ridosso dei nucleoni ma assolutamente inesistenti a breve distanza da essi.

Si è tentato di costruire modelli nucleari, però senza molta fortuna. L'unico tentativo che valga la pena di citare è dovuto a Goeppert e Jensen (1949) secondi i quali l'effetto complessivo di tutte le interazioni nucleoniche costituirebbe un guscio di potenziale uniforme, le cui dimensioni sarebbero appunto quelle del nucleo e nel cui interno i nucleoni si muoverebbero, ciascuno su un proprio livello energetico quantizzato.

Eccitando il nucleo si potrebbe provocare il passaggio di un nucleone dal proprio livello energetico a quello superiore e poi, quando si verificasse il passaggio inverso, si avrebbe l'emissione di un "Fotone".

I PROTONI              

I protoni sono particelle elementari di carica elettrica positiva che costituiscono, insieme ai neutroni il nucleo di un atomo.

Il protone è un androne, cioè una particella che prende parte all'interazione forte, formato da due quark up e un quark down.

Il fisico neozelandese E. Rutherford (1871-1937) scoprì il protone nel 1919 come costituente fondamentale del nucleo.

All'interno degli androni il protone, appartiene alla classe dei barioni insieme a molte altre particelle di cui però il protone è la meno pesante.

I barioni in genere non sono stabili, ma il protone che è il barione più leggero, dovrebbe essere stabile.

I NEUTRONI

Il neutrone, come il protone, è una particella elementare, ma non possiede una carica elettrica.

Fu scoperto nel 1932 dall'inglese J. Chadwick (1891-1974).

Il neutrone, sempre come il protone appartiene sia alla classe degli androni che alla classe dei barioni ed è formato anch'esso da due quark up e da un quark down.

I quark sono elettricamente carichi e, poiché il neutrone ruota su se stesso, danno luogo ad un piccolo momento magnetico che altrimenti non sarebbe possibile data la  neutralità del neutrone.

In un elemento chimico i protoni sono in numero fisso mentre il numero dei neutroni può variare, dando luogo agli isotopi.

GLI ELETTRONI

L'elettrone è una particella elementare stabile (cioè di vita infinita) e possiede  una carica elettrica negativa.

Esso fu la prima particella subatomica scoperta: nel 1897 J. Thomson (1856-1940) la identificò come particella costituente i raggi catodici emessi da un filamento metallico per surriscaldamento e accelerati con una differenza di potenziale.

Gli elettroni sono componenti fondamentali dell'atomo, in cui ruotano attorno al nucleo.

Nei metalli gli elettroni dello strato più estremo degli atomi sono liberi di muoversi all'interno della struttura formata dagli atomi: per questo, sotto l'azione di un campo elettrico ,

possono facilmente e rapidamente formare un flusso ordinato, la corrente elettrica.

Gli elettroni non risiedono nel nucleo dell'atomo quanto non risentono della forza nucleare forte, che mantiene uniti al suo interno i protoni e i neutroni.

L'elettrone è infatti un "leptone", cioè una particella che interagisce tramite la forza nucleare debole, oltre che attraverso la forza gravitazionale ed elettrica.

PRODURRE ENERGIA DAGLI ATOMI

E' possibile produrre energia dagli atomi tramite i processi di fissione e fusione nucleare.

Fissione

Una delle prime tappe della ricerca nucleare fu la scoperta che alcuni atomi, come l'uranio 235, possono essere artificialmente frantumati.

Se con un neutrone si colpisce il nucleo dell'atomo dell'uranio 235 si ha la fissione, cioè il nucleo si forma in due frammenti la somma della cui massa è inferiore a quella originaria.

Si liberano inoltre dei neuroni che, colpendo   altri nuclei di uranio,

provocano nuove fissioni, si innesca così la cosiddetta razione a catena.

Se si ha dell'uranio 235 praticamente puro, in modo che tutti i neutroni prodotti dalla prima fissione vadano a colpire altri atomi di uranio provocando altre fissioni, si verifica un rapido e progressivo aumento della potenza sviluppata che raggiunge forme esplosive.

Se, invece, si ha una miscela di uranio ad esempio l'uranio 238 ed altri materiali, in modo che parte dei neutroni prodotti dalla prima fissione

siano assorbiti da atomi diversi da quelli dell'uranio 235 non provocando la fissione, si può regolare la potenza sviluppata ed usarla per produrre calore trasformabile a sua volta in energia.

Nei reattori dell'ultima generazione, detti autofertilizzanti, si riesce non solo a produrre energia ma anche nuovo combustibile nucleare.

Durante la fissione infatti, si ottiene un altro materiale fissile non presente in natura, il Plutonio.

Fusione

L'energia nucleare può essere anche ricavata, oltre che con la fissione, anche mediante un procedimento, ancora in fase di sperimentazione, detto fusione nucleare che utilizza atomi molto piccoli come quelli dell'idrogeno (H).

Durante il processo di fusione i nuclei degli atomi si legano, dando origine ad un nucleo più piccolo della loro somma.

Nella trasformazione una piccola parte di massa si perde, o meglio, dà luogo ad una grande quantità di energia calorifica.

Teoricamente la fusione nucleare appare assai semplice, nella pratica invece le cose si complicano un po': per raggiungere la fusione occorre una temperatura elevatissima ben 100 milioni di gradi centigradi e, per mantenerla 80 milioni.

Ovviamente, nessun materiale esistente potrebbe essere posto a contatto con una massa così calda senza fondere, quindi il plasma (gas ionizzato) dopo essere stato riscaldato, viene mantenuto sospeso, senza toccare nessuna delle pareti del contenitore per mezzo di un grande campo magnetico generato con apposite bobine.

Dal processo di fusione si ricava una grande quantità di energia che raccolta in un apposito fluido, si utilizza per vaporizzare l'acqua, con cui vengono azionati la turbina e l'alternatore per la produzione di energia elettrica.

Ricerca curata da:

Rocchi Lorenzo