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.