MATERIA E RADIAZIONE
1. La struttura della materia
La materia che costituisce l'universo, a dispetto dell'incredibile varietà
di forme che assume, è ovunque della stessa natura. Essa è
composta di atomi di vario tipo. Un atomo è a sua volta composto
da un nucleo di protoni (cariche elettriche positive) e neutroni
(particelle prive di carica elettrica) e dagli elettroni, cariche
elettriche negative, che vi ruotano intorno, legati dall'attrazione che
i protoni esercitano su di essi. In condizioni normali, l'atomo è
elettricamente neutro, cioè contiene lo stesso numero di elettroni
e di protoni. É questo numero che determina il tipo di atomo, cioè
l'elemento chimico e le sue proprietà chimico-fisiche. Il
numero totale di protoni e neutroni in un nucleo va da 1 a circa 260, per
gli atomi più complessi.
Il nucleo è molto piccolo, ma contiene il 99,9 % della massa
dell'intero atomo, mentre gli elettroni vi ruotano attorno a grande distanza.
L'atomo, quindi, è praticamente "vuoto". A loro volta, i protoni
e i neutroni sono composti da particelle ancora più piccole, dette
quark.
Le moderne teorie fisiche prevedono che la materia sia dotata di simmetria,
cioè che per ogni tipo di particella esista una corrispondente antiparticella
dotata
di proprietà opposte (per esempio, esistono gli antielettroni, particelle
della stessa massa e con le stesse proprietà degli elettroni, ma
con carica elettrica positiva). L'esistenza dell'antimateria è stata
dimostrta, anche se pare che essa sia presente nell'universo in quantità
molto minori della materia ordinaria.
Gran parte della materia che compone l'universo si trova allo stato
gassoso (atomico o molecolare) oppure sotto forma di plasma. Il plasma
è il cosiddetto "quarto stato" della materia, oltre a quello solido,
quello liquido e quello gassoso; è simile ad un gas, ma formato
di ioni ed elettroni anzichè di atomi neutri. I solidi e i liquidi,
al contrario, sono relativamente rari nel cosmo; i corpi rocciosi come
pianeti o asteroidi costituiscono solo una piccola frazione della massa
dell'universo.
Le particelle di un gas sono dotate di un moto termico, cioè
si muovono in modo casuale urtandosi tra loro milioni di volte in un secondo,
con velocità tanto maggiore quanto più alta è la temperatura
del gas. Più esattamente, la temperatura del gas è proporzionale
alla velocità media delle sue particelle, cioè della loro
energia cinetica. (l'energia cinetica di un corpo è pari a
1/2 m v 2 , dove m è la sua massa e v la sua velocità).
L'enegia termica del gas è la somma delle energie cinetiche delle
sue particelle.
Lo zero assoluto nella scala della temperatura, pari a 0 gradi Kelvin
o a -273.16 oC, corrisponde ad uno stato nel quale l'energia
cinetica media delle particelle di gas è nulla.
2. La radiazione
La luce che vediamo non è altro che radiazione elettromagnetica:
essa è un "mezzo di trasporto" dell'energia da un punto all'altro
dello spazio. La radiazione è costituita da un'onda elettromagnetica,
cioè da un campo elettromagnetico oscillante, che si muove in linea
retta trasportando energia. La radiazione si muove nel vuoto
con una velocità altissima, ma finita, pari a 299.792
Km al secondo, valore che viene indicato con c; quando si propaga in un
mezzo materiale come un gas, la sua velocità è leggermente
minore.
Un'onda elettromagnetica è caratterizzata, oltre che dalla sua
velocità, dalla sua frequenza (f) e dalla sua lunghezza d'onda (L).
La lunghezza d'onda è la distanza tra due massimi successivi di
intensità del campo ad un determinato istante. La frequenza è
il numero di lunghezze d'onda che passano in un secondo per un determinato
punto dello spazio.
Tra queste tre quantità intercorre la relazione:
f L = c
cioè il prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza è
una costante, pari alla velocità della luce: tanto maggiore è
la frequenza di un'onda, tanto minore è la sua lunghezza d'onda
e viceversa.
L'energia che un'onda elettromagnetica trasporta è proporzionale
alla sua frequenza.
La radiazione presente nel cosmo ha lumghezze d'onda molto diverse.
Quella che noi vediamo coi nostri occhi non è altro che una piccolissima
parte dello spettro della radiazione, cioè dell'intervallo di lunghezze
d'onda esistenti. Esso si divide in varie regioni:
onde radio (lunghezze d'onda comprese tra 102 e 106
cm)
microonde (da 10-2 a 102 cm)
raggi infrarossi (da 10-4 a 10-2 cm)
luce visibile (da 3 10-5 a 7 10-5 cm circa)
raggi ultravioletti (da 10-6 a 10-5 cm)
raggi X (da 10-8 a 10-6 cm)
raggi gamma (da 10-10 a 10-8 cm)
L'unita di misura più utilizzata per le lunghezze d'onda della
luce visibile, dei raggi ultravioletti e dei raggi X è l'Angstrom,
pari a 10-8 cm, mentre per i raggi infrarossi è il micron,
cioè 10-4 cm. L'unità di misura delle frequenze
è l'Hertz con i suoi multipli.
La radiazione, come abbiamo detto, è un'onda elettromagnetica,
e come tale è soggetta a fenomeni come la riflessione, la rifrazione,
l'interferenza, ecc... Tuttavia la luce non si comporta sempre come un'onda:
l'energia da essa trasportata non è "diffusa" in modo continuo lungo
l'onda, ma viaggia nello spazio come se fosse concentrata in corpuscoli,
e sotto forma di corpuscoli viene emessa ed assorbita dagli atomi. Come
le particelle, la radiazione esercita una pressione sui corpi che investe,
e quando un'onda elettromagnetica urta contro una particella, le cede una
parte della sua energia proprio come farebbe un'altra particella. La luce
ha quindi una duplice natura: è contemporaneamente sia un'onda che
una particella, e si manifesta ora in un modo, ora nell'altro, a seconda
delle situazioni. Questi corpuscoli prendono il nome di fotoni,
sono privi di massa e di carica elettrica e si muovono con velocità
pari a c.
L'energia trasportata da un fotone è legata alla frequenza dell'onda
elettromagnetica corrispondente dalla relazione
E = hf = hc/L
dove h è una costante detta costante di Planck.
3. Emissione ed assorbimento di radiazione dalla materia
Come abbiamo detto, la luce viaggia nello spazio come un'onda, ma nell'interagire
con la materia si comporta come una particella. Questo significa che l'energia
trasportata dalla radiazione viene scambiata tra un atomo e l'altro in
"pacchetti", i fotoni.
In un atomo, gli elettroni si muovono attorno al nucleo in una regione
dello spazio che prende il nome di orbitale. L'elettrone possiede
un'energia ben definita, che dipende dal tipo di orbitale lungo il quale
si muove. Se un elettrone si sposta da un orbitale ad un altro, anche la
sua energia varia. Questo meccanismo avviene attraverso l'assorbimento
o l'emissione di un fotone. Per passare ad un orbitale di energia maggiore,
l'elettrone deve ricevere energia e quindi assorbire un fotone; passando
ad un orbitale di energia minore, esso ne deve liberare una certa quantità,
cioè deve emettere un fotone, che a sua volta verrà "raccolto"
da un altro atomo.
Ogni tipo di atomo possiede soltanto un certo numero di orbitali ben
definiti, e quindi solo determinati livelli di energia possibili per i
suoi elettroni. Per spostarsi da un orbitale all'altro, quindi, un elettrone
può emettere o assorbire solo certe quantità di energia e
non altre. Ovvero, un atomo può emettere o assorbire solo fotoni
di determinate energie e quindi di lunghezze d'onda fissate.
Questi fotoni sono in un certo senso la "firma" di un atomo o di una
molecola: osservare radiazione di una certa lunghezza d'onda piuttosto
che un'altra indica la presenza di un certo elemento chimico, di un suo
ione, di un suo isotopo.
