LA MATERIA
Marzo 2014 Proff. : Ricco e Parravicini
La materia (dal latino mater = madre) è tutto ciò che
occupa uno spazio
e
ha una massa.
La materia è formata da sostanze diverse
In una sostanza la molecola è la più piccola unità che,
conservando le caratteristiche chimiche della sostanza stessa,
sia capace di esistenza indipendente.
acqua
ozono
ossigeno
anidride carbonica
azoto
Le sostanze possono essere:
semplici
se costituite
da atomi uguali
e
composte
se costituite
da atomi di natura diversa
Le molecole delle sostanze semplici (elementi) sono
formate da due o più atomi uguali legati tra loro.
Ad esempio:O2 (molecola del gas ossigeno).
Atomo di ossigeno
Atomo di ossigeno
Molecola del gas ossigeno
Le molecole delle sostanze composte sono formate da
due o più atomi di elementi diversi legati tra loro.
Ad esempio:CO2 (molecola dell'anidride carbonica)
Atomo
carbonio
Atomi ossigeno
Molecola di anidride carbonica
Molecola composta
L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che
conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso.
Tavola periodica degli elementi
L'atomo è formato da elettroni che si muovono
attorno a un nucleo composto (in uno schema molto
semplificato) da protoni e neutroni.
neutroni
protoni
elettroni
Gli elettroni occupano strati (gusci) via via più grandi a
partire da quello più interno.
3^ strato completo
8 elettroni
1^ strato completo
2 elettroni
2^ strato completo
8 elettroni
Schema semplificato di alcuni atomi
2 elettroni
8 elettroni
17 elettroni
Il numero dei protoni presenti in un atomo viene
detto numero atomico (z) e contrassegna l’identità
di un atomo.
In un atomo
nr dei protoni = nr degli elettroni
Gli elettroni (indicati con punti rossi) nel guscio più esterno di un atomo sono
quelli che interagiscono più facilmente con gli altri atomi e quindi giocano un
ruolo maggiore nel comportamento chimico dell’elemento.
Come leggere la tabella periodica degli elementi
Numero atomico
Simbolo elemento
Peso atomico
Nome elemento
P = peso atomico (massa atomica relativa di un elemento esprime quante volte
l’atomo di questo elemento pesa di più della dodicesima parte dell’atomo di
carbonio)
Il peso atomico (P) viene riportato sotto al simbolo chimico dell'elemento
z = numero atomico = numero protoni
il numero atomico (z) viene evidenziato a destra, in alto, del simbolo dell'elemento
C’è poi il numero di massa di un atomo che si riferisce al numero di
particelle complessive contenute nel nucleo di un atomo e si
ottiene:
NUMERO DI MASSA
NUMERI DEI PROTONI
+
NUMERO DEI NEUTRONI
Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento chimico
hanno: lo stesso numero atomico
(numero di protoni) Z
ma : differente numero di massa
(numero protoni + numero neutroni) A
1 protone
Z=1
A=1
1 protone
1 netrone
1 protone
2 neutroni
Z=1
A=2
Z=1
A=3
Altro esempio
6 protoni
6 neutroni
Carbonio12
(6P + 6N)
Numero di massa 12
6 protoni
8 neutroni
6 protoni
7 neutroni
Carbonio 13
(6P +7 N)
Numero di massa 13
Gli isotopi del carbonio
Carbonio 14
(6P + 8N)
Numero di massa 14
In natura esistono altri tipi di particelle
elementari
per esempio quelle presenti nei raggi cosmici.
Si tratta di flussi di particelle ad alta energia
provenienti dallo spazio, quasi tutte dotate di
carica elettrica.
Sono costituiti
per lo più da ioni di
elementi leggeri (idrogeno,
deuterio, elio, litio, ecc..)
ed elettroni, che si
muovono a velocità
altissime, prossime a
quella della luce.
Quando il flusso continuo di raggi cosmici raggiunge la nostra atmosfera da
tutte le direzioni dello spazio, le particelle si moltiplicano in una cascata di
interazioni successive, creando un'invisibile "pioggia cosmica"
Questi raggi, urtando le particelle
dell'atmosfera, le spezzano in altre
più piccole, dette muoni e pioni
La pioggia cosmica colpisce continuamente ciascuno di noi alla frequenza di circa
4000 particelle cariche al minuto per centimetro quadrato.
Altri particolari raggi cosmici, come i neutrini , interagiscono molto
raramente con la materia;
possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di
materia
sono particelle prive di
carica elettrica
e con una massa
estremamente piccola
(che non si è ancora
riusciti a misurare).
In ogni secondo ogni oggetto sulla Terra (compresi noi
stessi) è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia
quasi nessuno di questi neutrini viene catturato:
per dare un'idea in media soltanto un neutrino all'anno
interagisce con il corpo di una persona!
I neutrini sono le particelle più abbondanti dell’universo
Studiare raggi e particelle ad energie irraggiungibili negli acceleratori qui
sulla Terra consente di ottenere preziose indicazioni sulle prime fasi di
evoluzione dell'Universo.
Rivelatori vengono installati
all’interno di navi spaziali,
capaci di analizzare i raggi
cosmici nello spazio.
Altre particelle
raggiungono il suolo
e possono essere
catturate da
rivelatori posti sulla
superficie terrestre.
Altre particelle ancora penetrano dentro la Terra e vengono intrappolate da
dispositivi sotterranei, come il CERN del Gran Sasso, o posti sul fondo del mare.
In tutti questi anni sono state scoperte tante particelle ed è stata elaborata una
teoria, chiamata “modello standard”, che è in grado di descrivere sia la materia
che tutte le forze dell’universo (tranne la gravità).
Il modello prevede due tipi di particelle:
particelle materiali, cioè che compongono la materia
come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark
particelle mediatrici di forza, cioè che la tengono insieme
Le particelle materiali fondamentali, quark e
leptoni, come anche la maggior parte delle
particelle composte (come protoni e neutroni)
non possono coesistere nello stesso luogo.
Questa,
per la materia in condizioni ordinarie,
è una proprietà importantissima!
In totale si conoscono
12 tipi di particelle materiali
(6 quark e 6 leptoni)
12 particelle mediatrici di forza
che permettono loro di interagire gli uni
con gli altri
A cui si è aggiunta
la 13^ particella
Tutte le interazioni* sono dovute al fatto che
le particelle materiali si scambiano tra loro le particelle mediatrici di
forza chiamate bosoni,
come se giocassero a palla!
*processi mediante i quali due o più sistemi, o corpi, o particelle agiscono l’uno sull’altro con
conseguenti modificazioni reciproche del loro stato e della loro energia
Le particelle interagiscono tra di loro mediante
quattro interazioni fondamentali:
interazione forte
gravità
elettromagnetismo
interazione debole
I quark sono una delle due famiglie di particelle subatomiche, che si
ritiene siano fondamentali e indivisibili.
In natura i quark non si trovano mai isolati, ma formano particelle
composte dette adroni ;
tra le più note i protoni e i neutroni
Un neutrone, composto di un
quark up e due quark down
Un protone, composto di due quark up e un
quark down
Sono influenzate dall'interazione forte
I leptoni
sono tra le particelle che
oggi appaiono prive di
struttura e indivisibili
(e pertanto fondamentali).
Un leptone (dal greco lepton, luce) è una particella
subatomica che non è composta da quark.
I leptoni sono:
gli elettroni,
i muoni,
le particelle tau,
i loro rispettivi neutrini
(particelle tra le più
leggere).
Sono particelle non influenzate dalla forza forte.
L’immensa varietà di fenomeni che avvengono attorno a noi può
essere descritta basandosi solo su 4 interazioni fondamentali ,
che dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le
diverse parti dell'Universo.
Descrivendo un’interazione è importante definire due quantità:
il range o raggio d' azione e l’intensità.
Il range di un’interazione è la distanza
massima in cui questa è influente.
L’intensità delle interazioni fornisce i rapporti
di forza tra le diverse interazioni.
Le forze sono «mediate» da particelle ( i bosoni intermedi o "quanti di energia")
che sono diverse da quelle che compongono la materia,
esistono per un
tempo
brevissimo, il
tempo necessario
per trasmettere
l’informazione da
una particella di
materia all’altra.
Quindi ci sarà una particella responsabile di ogni interazione:
per la gravità c’è il gravitone
che è una forza molto debole a tutti familiare;
per l’elettromagnetismo c’è il fotone
che oppone resistenza allo spostamento
degli atomi,
tra due cariche elettriche
si manifesta:
o tra due poli magnetici
per l’interazione forte c’è il gluone (dall’inglese glue“colla”)
g
è talmente forte da riuscire a tenere uniti i quark l’uno con l’altro
per l’interazione debole ci sono i bosoni W e Z
sono responsabili del decadimento dei quark e dei leptoni che
hanno massa maggiore, in quark e leptoni più leggeri
(la materia stabile dell’universo infatti è composta solo dai due
quark più leggeri di tutti, cioè il quark up e il quark down e dal
leptone più leggero cioè l’elettrone!).
Interazione elettromagnetica
è responsabile della struttura atomica e molecolare, delle reazioni chimiche e di
tutte le forze (escluse quelle gravitazionali) che osserviamo nel nostro mondo
(come, ad esempio, le forze magnetiche).
Si manifesta tra tutte le particelle elettricamente cariche ed ha come bosone
intermedio il fotone.
Ha raggio d’azione infinito
Inoltre l‘intensità diminuisce
tanto più le particelle interagenti
si allontanano tra di loro.
Due calamite che si attraggono,
lo fanno scambiando una grande quantità di particelle
chiamate fotoni
Forza gravitazionale
Interazione tra due pianeti o che ci tiene sulla terra per effetto del
campo gravitazionale:
quella che ci tiene incollati alla sedia,
che fa cadere le mele,
lega la Luna alla Terra.
l’interazione gravitazionale ha un raggio d’azione infinito; per questa
caratteristica il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi.
I fisici ritengono il gravitone responsabile della mediazione della
forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia stata ancora
confermata sperimentalmente.
Interazione forte
Indipendente dalla carica elettrica, è la forza responsabile dell’esistenza stessa dei
nuclei, che in assenza di tale forza, a causa della presenza di cariche tutte positive,
tenderebbero a frantumarsi .
Le interazioni forti hanno:
raggio di azione pari a circa le dimensioni del
nucleo (un adrone che passi oltre questa
distanza subirà un’interazione con il nucleo
trascurabili).
intensità superiore tra le quattro interazioni.
gluoni sono i bosoni intermedi delle interazioni
…..vera e propria colla tra protoni e
neutroni all’interno del nucleo e dei
quark all’interno degli adroni…
……..sebbene più nascosta, è indispensabile per la nostra vita…
La forza debole
L'interazione debole non contribuisce tanto
alla coesione della materia quanto alla sua
trasformazione.
Trasforma particelle e atomi da un tipo ad un
altro, come accade nelle reazioni nucleari che
alimentano il Sole
Messaggeri di quest’interazione
sono i bosoni carichi W e W e il
bosone neutro Z . Che trasportano
la forza nucleare debole.
+
0
-
La forza debole è quella che si
discosta di più dalla nozione di forza
della nostra esperienza quoditiana.
..è l'unica che in un certo senso non
"lega" niente! Al limite divide: è
infatti responsabile dei decadimenti
delle particelle.
La forza debole
Si manifesta tra tutte le particelle, leptoni e quarks.
Il raggio d'azione è estremamente piccolo,
al limite possiamo dire che è puntiforme,
cosicché è improbabile che due particelle si trovino
abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra.
L'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola,
tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi
molto rari.
Esempio di decadimento di particelle
un quark down interagisce con il
campo dell'interazione debole ed
emette il mediatore di quel campo,
il bosone intermedio W,
trasformandosi in un quark up.
neutrone composto di due quark
down e un quark up
il neutrone iniziale è ora diventato un protone
nello stato finale l'elettrone e
l'antineutrino si allontanano dal protone
il bosone W decade in un elettrone (carica
elettrica -1) e in un anti-neutrino privo di carica
elettrica.
Anche in questo passaggio la carica elettrica è
conservata.
• Nel 1984 Carlo Rubbia fu insignito del Nobel
Il lavoro scientifico che gli è valso il Nobel,
è la scoperta, nel 1983,
delle particelle responsabili
dell'interazione debole,
una delle forze fondamentali nell'universo,
ossia i bosoni vettoriali W+, W- e Z.
BUON STUDIO ……….