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La curiosità del mese

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Per tutto l’oro del mondo

La curiosità del mese di novembre 2016 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - La maschera di Tutankhamon, d'oro massiccio e lapislazzuli - 1323 a.C.
Fig. 1 - La maschera di Tutankhamon, d’oro massiccio e lapislazzuli - 1323 a.C.

L’oro dei re Magi, l’oro che è per sempre, l’oro di re Mida, l’oro bene rifugio, l’oro dei gioielli, l’oro della maschera di Tutankhamon, l’oro di Eldorado, l’oro colato, l’oro dei ponti d’oro, l’oro delle medaglie, l’oro dei tempi d’oro, l’oro dei denti, l’oro del silenzo, l’oro dei sogni, l’oro delle nozze ...
Ma da dove viene l’oro?
L’oro è l’elemento di numero atomico 79, e di peso atomico 197.
Questo vuol dire che nel suo nucleo ci sono 79 protoni e ben 118 neutroni.
Appartiene a quella famiglia di elementi pesanti, più pesanti del ferro, che non hanno origine nell’interno delle stelle "normali", seppur grosse.
Ma andiamo con ordine: per creare un elemento, bisogna mettere insieme i vari pezzi di cui è fatto, cioè protoni e neutroni.
I neutroni sono neutri, come dice il loro nome, ma i protoni hanno carica positiva.
E quando avviciniamo cariche uguali, queste si respingono ...

Fig. 2 - Struttura a 'cipolla' di una stella massiccia: il nucleo e` di ferro, negli strati superiori troviamo gli elementi via via  piu` leggeri. Nella tabella viene indicato il tempo-scala della durata di ogni fase del bruciamento.
Fig. 2 - Struttura a "cipolla" di una stella massiccia: il nucleo è di ferro, negli strati superiori troviamo gli elementi via via più leggeri. Nella tabella viene indicato il tempo-scala della durata di ogni fase del bruciamento.

Se in natura ci fosse solo la forza elettromagnetica e la gravità, come faremmo a mettere insieme più protoni per fare un nucleo più pesante dell’idrogeno, che di protoni ne ha uno solo?
Non potremmo ... E infatti esiste un’altra forza, più forte della forza elettrica, che opera solo quando due protoni sono vicinissimi, quasi si toccano, e che riesce a farli stare insieme.
Non a caso si chiama forza forte (più forte della forza elettrica).
Dato che opera a breve distanze, dobbiamo riuscire ad avvicinare due protoni a distanze piccolissime.
Ci riusciamo se i due protoni sono "sparati" l’uno verso l’altro ad una velocità sufficiente.
È per questo che la fusione dell’idrogeno può avvenire solo se la temperatura, all’interno delle stelle, è abbastanza grande, maggiore di una decina di milioni di gradi. Infatti, più grande è la temperatura, più grande è la velocità dei nuclei.
È questo che succede nel nucleo del Sole che produce continuamente l’elio a partire dal puro idrogeno.
Ma una volta che abbiamo fatto l’elio? Come facciamo a fare nuclei con più protoni?

Fig. 4 - Esempio di formazione degli elementi all’interno delle stelle: da due nuclei di elio si forma il berillio. Quest’ultimo, assieme ad un altro nucleo di elio, forma il carbonio. Nel processo vengono prodotti raggi gamma, cioe’ energia.
Fig. 4 - Esempio di formazione degli elementi all’interno delle stelle: da due nuclei di elio si forma il berillio. Quest’ultimo, assieme ad un altro nucleo di elio, forma il carbonio. Nel processo vengono prodotti raggi gamma, cioè energia.

Ripetiamo il processo, ma stavolta è più difficile avvicinare un protone ad un nucleo di elio, perchè l’elio di protoni ne ha due e respinge più vigorosamente altre cariche positive.
E quindi bisogna avere una temperatura più grande.
Ma se ci riusciamo ci guadagniamo, perchè nella fusione viene sprigionata una energia enorme. Spendiamo 10 e otteniamo 100 ...
Man mano che facciamo elementi più pesanti, però, spendiamo sempre di più perchè diventa sempre più difficile, per un protone, avvicinarsi ad un nucleo con tante cariche positive.
Dopo che abbiamo fatto il ferro (26 protoni nel suo nucleo) non ci guadagniamo più: spendiamo 100 e otteniamo 90.
Il nucleo della stella comincia a perdere sia calore sia l’energia che le serviva per sostenere il peso degli stati sovrastanti il nucleo.

Fig. 3 - La nebulosa del Granchio, fatta dai resti di una stella esplosa nel 1054 d.C. e osservata da astronomi cinesi.
Fig. 3 - La nebulosa del Granchio, fatta dai resti di una stella esplosa nel 1054 d.C. e osservata da astronomi cinesi.

Il nucleo implode in pochissimo tempo. Agli stati sovrastanti manca letteralmente la terra sotto i piedi, e precipitano verso il centro, e poi rimbalzano, per formare una supernova.
Il nucleo della stella nel frattempo è diventato una stella fatta di neutroni. Di una densità inimmaginabile. Un cucchiaino di una stella di neutroni pesa un miliardo di tonnellate.
Risultato: durante la sua vita, una stella produce un sacco di elio se è grande come il Sole, e produce gli altri elementi fino al ferro se è almeno 20 volte più pesante del Sole.
Ma allora chi fa tutti gli altri elementi più pesanti del ferro? Fino a poco tempo fa si pensava che l’oro, il platino, l’uranio, il plutonio, e così via fossero fatti dalle supernove, nel brevissimo momento dello scoppio.
In fondo, in quegli istanti, c’è tanta energia, e pure tanti neutroni.
Infatti i neutroni aiutano. Essendo neutri, loro possono avvicinarsi al nucleo ricco di protoni senza avvertire la repulsione elettrica, e se si avvicinano abbastanza possono essere catturati.
Di più: dopo un po’ di tempo hanno una metamorfosi e si trasformano in protoni ed elettroni (così la carica totale viene conservata).
Ma adesso si pensa che questo processo, che pure succede, non è sufficiente per spiegare gli elementi di peso atomico (numero totale di protoni + neutroni) maggiore di 130.
Per questi elementi c’è bisogno di un ambiente ancora più ricco di neutroni.
Tanto che adesso si pensa che nascano quando due stelle di neutroni, che ruotano l’una intorno all’altra in un sistema binario, sono li’ li’ per scontrarsi e fondersi.
Un sistema perfetto per produrre onde gravitazionali. Queste fanno si’ che le due stelle di neutroni si avvicinino ancora di più. Ad un certo punto si rompono per via della colossale forza di marea, e poi si fondono per formare un buco nero.
Nei brevi istanti che precedono la morte di queste stelle, viene generata una grande quantità di neutroni e di energia, che serve per formare tutti gli elementi pesanti, tra cui l’oro.
Che diventa l’ultimo regalo delle stelle prima di entrare nell’abisso del buco nero
...

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