MATERIA E RADIAZIONE
1. La struttura della materia
La materia che costituisce l'universo, a dispetto dell'incredibile varieta'
di forme che assume, e' ovunque della stessa natura. Essa e' composta di
atomi di vario tipo. Un atomo e' 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 e' elettricamente neutro, cioe' contiene
lo stesso numero di elettroni e di protoni. E' questo numero che determina
il tipo di atomo, cioe' l'elemento chimico e le sue proprieta'
chimico-fisiche. Il numero totale di protoni e neutroni in un nucleo va
da 1 a circa 260, per gli atomi piu' complessi.
Il nucleo e' molto piccolo, ma contiene il 99,9 % della massa dell'intero
atomo, mentre gli elettroni vi ruotano attorno a grande distanza. L'atomo,
quindi, e' praticamente "vuoto". A loro volta, i protoni e i
neutroni sono composti da particelle ancora piu' piccole, dette quark.
Le moderne teorie fisiche prevedono che la materia sia dotata di simmetria,
cioe' che per ogni tipo di particella esista una corrispondente antiparticella
dotata di proprieta' opposte (per esempio, esistono gli antielettroni,
particelle della stessa massa e con le stesse proprieta' degli elettroni,
ma con carica elettrica positiva). L'esistenza dell'antimateria e' stata
dimostrta, anche se pare che essa sia presente nell'universo in quantita'
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 e' il cosiddetto
"quarto stato" della materia, oltre a quello solido, quello liquido
e quello gassoso; e' simile ad un gas, ma formato di ioni ed elettroni
anziche' 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, cioe' si
muovono in modo casuale urtandosi tra loro milioni di volte in un secondo,
con velocita' tanto maggiore quanto piu' alta e' la temperatura del gas.
Piu' esattamente, la temperatura del gas e' proporzionale alla velocita'
media delle sue particelle, cioe' della loro energia cinetica. (l'energia
cinetica di un corpo e' pari a 1/2 m v 2 , dove
m e' la sua massa e v la sua velocita'). L'enegia termica del gas e' 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 e' nulla.
2. La radiazione
La luce che vediamo non e' altro che radiazione elettromagnetica: essa
e' un "mezzo di trasporto" dell'energia da un punto all'altro
dello spazio. La radiazione e' costituita da un'onda elettromagnetica,
cioe' da un campo elettromagnetico oscillante, che si muove in linea retta
trasportando energia. La radiazione si muove nel vuoto con una velocita'
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 velocita' e' leggermente minore.
Un'onda elettromagnetica e' caratterizzata, oltre che dalla sua velocita',
dalla sua frequenza (f) e dalla sua lunghezza d'onda (L). La lunghezza
d'onda e' la distanza tra due massimi successivi di intensita' del campo
ad un determinato istante. La frequenza e' il numero di lunghezze d'onda
che passano in un secondo per un determinato punto dello spazio.
Tra queste tre quantita' intercorre la relazione:
f L = c
cioe' il prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza e' una costante,
pari alla velocita' della luce: tanto maggiore e' la frequenza di un'onda,
tanto minore e' la sua lunghezza d'onda e viceversa.
L'energia che un'onda elettromagnetica trasporta e' proporzionale alla
sua frequenza.
La radiazione presente nel cosmo ha lumghezze d'onda molto diverse. Quella
che noi vediamo coi nostri occhi non e' altro che una piccolissima parte
dello spettro della radiazione, cioe' 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 per le lunghezze d'onda della luce visibile, dei raggi
ultravioletti e dei raggi X e' l'Angstrom, pari a 10-8 cm, mentre
per i raggi infrarossi e' il micron, cioe' 10-4 cm. L'unita'
di misura delle frequenze e' l'Hertz con i suoi multipli.
La radiazione, come abbiamo detto, e' un'onda elettromagnetica, e come
tale e' 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 e' "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: e' 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 velocita' pari a c.
L'energia trasportata da un fotone e' legata alla frequenza dell'onda elettromagnetica
corrispondente dalla relazione
E = hf = hc/L
dove h e' 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 quantita',
cioe' deve emettere un fotone, che a sua volta verra' "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 puo' emettere
o assorbire solo certe quantita' di energia e non altre. Ovvero, un atomo
puo' 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.
