La coesione della materia

Per il XXIII° Carnevale della Fisica su Scientificando

Gli elettroni dei nuclei atomici viaggiano ad una velocità dell’ordine di qualche percento della velocità della luce c. Un semplice calcolo mostra che ogni elettrone compie miliardi di miliardi di rivoluzioni attorno al nucleo in un solo secondo proprio per le piccolissime dimensioni dell’atomo.

In queste condizioni gli elettroni sembrano avere il dono dell’ubiquità, e vengono mantenuti in orbita grazie all’interazione elettrica con i protoni presenti nel nucleo.

Grazie al principio di esclusione di Pauli, formulato da W. Pauli (1900-1958) secondo cui ogni orbita elettronica può contenere al massimo due elettroni con spin differente, ossia un numero molto limitato di elettroni, e grazie all’effetto cumulativo della coesione di miliardi di atomi, si può osservare uno dei fenomeni più importanti della materia: l’impenetrabilità dei corpi, la sua coesione.

Facciamo un esempio. Supponiamo che un agente segreto si lanci col suo paracadute, ma che per una serie di cause, il paracadute non si apra. La caduta libera dell’agente segreto è una conseguenza della forza di gravità terrestre, ma non è questa forza che lo uccide quando tocca terra, bensì il forte impatto con il suolo. Sono perciò le forze di coesione della materia che producono la sua morte.

E’ ben noto che la forza elettrica è di gran lunga superiore alla forza di gravità nella scala di intensità delle forze fondamentali. La forza esercitata tra la carica positiva di un protone del nucleo e quella negativa di un elettrone orbitante attorno al nucleo è dell’ordine di miliardi di milioni di volte (10^39) maggiore della forza di attrazione gravitazionale esercitata tra le masse delle due particelle. Questa superiorità vale solo a livello microscopico. A livello macroscopico, o per meglio dire, a livello cosmico, la forza di gravità diventa predominante non solo sulla forza elettrica ma su tutte le altre forze fondamentali presenti in natura.

Tra elettrone e nucleo agisce la forza coulombiana che va come l’inverso del quadrato della distanza dell’elettrone dal nucleo. Questo significa che se si raddoppia la distanza, la forza diventa quattro volte più debole e, viceversa, se si raddoppia la carica, la forza aumenta in modo proporzionale al prodotto delle due cariche.

La stessa formula si applica al caso delle forze gravitazionali dove al posto delle cariche si sostituiscono le masse.

Tuttavia, nonostante questa somiglianza, c’è una differenza tra le due forze: la forza gravitazionale è solo attrattiva, e le viene convenzionalmente dato il segno positivo, mentre le forze elettriche possono essere di tipo attrattivo (quando agiscono tra cariche di segno diverso e per convenzione sono positive) e di tipo repulsivo (tra cariche dello stesso segno, le forza sono negative).

E’ possibile considerare i corpi come dei punti materiali poichè si è osservato che essi si attirano come se l’intera massa fosse concentrata nel loro centro.

Gli atomi si comportano nella stessa maniera dei pianeti intorno al Sole che seguono la famosa legge di Keplero. Dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande, la legge che governa il moto delle cariche e quello dei pianeti intorno al Sole rispetta lo stesso andamento.

Tutte le immagini sono state ricavate dal sito Forza elettromagnetica: http://knightstrife.altervista.org/Pagine/Forza_Elettromagnetica.htm

Il post verrà pubblicato il 30 settembre su Scientificando di Annarita Ruberto: http://scientificando.splinder.com/post/25510412/carnevale-della-fisica-23-prima-chiamata

Sabrina