I MATTONI DELLA VITA : GLI A T O M I

08 gennaio 2012 ore 18:01 segnala
A T O M I

Non sappiamo come l'Universo abbia avuto origine,ma la sua storia inizia per noi DAL MOMENTO IN CUI ERA NATO DA APPENA 1 MILIARDESIMO DI SECONDO.

Quando l'Universo incomincia a raffreddarsi ciò permette ai NEUTRONI e ai PROTONI di legarsi e formare così i primi NUCLEI ATOMICI,quello dell'IDROGENO e dell 'ELIO. Ma non si tratta ancora di veri atomi,manca un ingrediente fondamentale: l'ELETTRONE.
Nell'Universo appena nato,ci sono moltissimi elettroni,ma l'energia è ancora troppo alta perchè questi possano rallentare e legarsi ai nuclei.
Rimarrà così per più di 300.000 anni,in cui l'Universo si raffredda da miliardi di gradi a poche migliaia.
A questo punto gli elettroni iniziano a rallentare,l'Universo è pronto a formare i suoi primi elementi,i Protoni riescono così a catturarli e formare ATOMI completi di IDROGENO e di ELIO.
Fino ad ora sono nati solo atomi di Idrogeno e di Elio,ma il nostro mondo è fatto da più di 100 elementi diversi.
Senza di loro,i pianeti,le piante,le montagne e noi stessi non potremmo esistere.
L'Universo ha bisogno di produrre molta ENERGIA e nuovi elementi e per farlo,dovrà creare le STELLE.
La temperatura dell'Universo è così diminuita da diventare più bassa di quella dell'azoto liquido,cioè -222°C,e inoltre è buio.
Nel giovane Universo non tutte le zone erano uniformi,ma c'erano delle zone più dense di materia che erano destinate a collassare,per formare gruppi o anche singole GALASSIE,queste zone erano piene di atomi di IDROGENO,la Gravità inizia a riunire gli Atomi che poi daranno origine alle STELLE.
Nel corso degli anni le nubi di Idrogeno e Elio si raggruppano,si riscaldano,gli atomi iniziano a fondersi e rilasciare energia,sta per nascere una STELLA. Miliardi di Stelle illumineranno così l'Universo per la prima volta e sono fatte di IDROGENO e ELIO.
Ma nel profondo dei nuclei stellari stanno nascendo nuovi elementi.
Le reazioni nucleari all'interno delle giovani stelle rilasciano enormi quantità di energia e calore che costringono gli atomi a FONDERSI creando uno dopo l'altro elementi sempre più pesanti,3 nuclei di Elio si combinano formando il CARBONIO, 2 nuclei di Carbonio si fondono formando il MAGNESIO e così via per centinaia di migliaia di anni,fino a quando il SILICIO dà origine al FERRO.
Nell'atomo di FERRO i legami fra NEUTRONI e PROTONI nel nucleo sono così forti da resistere anche alle temperature estreme del centro di una stella,impedendogli di fondere per creare un elemento più pesante. Il FERRO rimane Ferro. E' la fine del processo,la catena di montaggio degli elementi si ferma. Mancano però ancora molti elementi importanti come il CROMO e lo ZINCO.
Da ora in poi verranno creati gli elementi più pesanti del Ferro,per realizzare questi elementi saranno necessarie delle grandi esplosioni,mai viste nello spazio.
Sono passati 500.000 anni e mancano all'appello anche l'ORO e il PLATINO. Per terminare il lavoro l'Universo dà vita a delle gigantesche Stelle esplosive chiamate SUPERNOVE. Quando le Stelle che avevano creato gli elementi più leggeri esauriscono il combustibile,collassano su se stesse ,
producendo grandi quantità di energia e infine esplodono.
Queste esplosioni sono così potenti che riescono a fondere il FERRO. Senza le Supernove la vita stessa non esisterebbe.
Quando una Supernova esplode,l'analisi spettrografica individua gli elementi che vengono prodotti all'interno della stella.
All'interno del NUCLEO DI FERRO la temperatura sale fino a 8 miliardi di gradi, quasi 300 volte più calda del centro del SOLE. Il calore è tale che gli atomi di ferro che si erano raccolti nel centro della Stella si spaccano e il nucleo diviene così instabile.
Il nucleo COLLASSA su se stesso in una frazione di secondo,il centro della stella diventa sempre più denso,ed un volume paragonabile alla Terra stessa,si riduce alle dimensioni di una CITTA',quindi
molto piccolo e inoltre DENSISSIMO.
Per farci un'idea della densità di tale materia,se ne prendessimo una quantità pari ad una zolletta di zucchero,peserebbe quanto l'intero pianeta Terra!
Il Nucleo così denso che si è formato,rimbalza come se fosse una palla di gomma compressa e produce una fortissima ONDA D'URTO che si espande attraversando gli strati più esterni della stella. Questo fenomeno produce energia sufficiente per FONDERE gli ATOMI che creano nuovi elementi tutti più pesanti del ferro. Infine la Stella esplode e l'onda d'urto ne proietta i residui nello spazio fino a distanze enormi.
E' evidente che la nostra vita dipende direttamente dalle Stelle, senza la loro nascita e la loro morte,non potremmo esistere.
Le conseguenze di queste gigantesche esplosioni sono le NEBULOSE, immense nubi di polveri e detriti prodotti durante l'esplosione e al loro interno si agitano gli ATOMI degli elementi pesanti come ORO,ARGENTO,ZINCO , PIOMBO,COBALTO,URANIO,NICHEL,IODIO,TUNGSTENO.

LE SUPERNOVE SONO L'EVENTO CHE DA' IL VIA ALLA FORMAZIONE DELLA VITA.

Siamo così arrivati a 9 miliardi di anni dopo il Big Bang e tutti gli ingredienti della vita sono presenti. L'Universo è diventato un luogo popolato da miliardi di Galassie.

In un angolino tranquillo della Via Lattea incomincia ad accumularsi una massa di polveri e gas ed è costituita in gran parte dai residui di una Supernova ,nel momento in cui raggiunge la massa critica,incomincia a bruciare: è nata una Stella, la nostra Stella, il SOLE.

Ciò che è rimasto della massa originaria,forma gruppi di detriti che ruotano intorno alla nuova Stella,i gas e le polveri vengono catturati e raggruppati dalla Gravità e aumentano sempre di dimensione formando i PIANETI, uno di essi è la nostra TERRA.

Nei successivi 500 milioni di anni la Terra genera uno strato protettivo di gas: l'ATMOSFERA e la
VITA fa la sua comparsa.
All'inizio sono singole cellule ma col trascorrere del tempo si evolveranno in Piante,Animali e alla fine ESSERI UMANI.

IL NOSTRO UNIVERSO HA QUASI 14 MILIARDI DI ANNI!

I MATTONI FONDAMENTALI DELLA VITA: gli ATOMI

STUDIO DELL'ATOMO

L'Atomo è formato da un NUCLEO massivo centrale,caricato Positivamente e da un certo numero di ELETTRONI che "ruotano" o meglio si trovano nelle vicinanze del nucleo stesso.
L'Atomo più semplice ha un Nucleo formato da una sola carica positiva,un PROTONE e 1 solo Elettrone,questo atomo è l'atomo di IDROGENO. Il protone ha una MASSA di circa 2000 volte quella dell'Elettrone e quindi il centro di massa praticamente coincide con quella del Protone.
Fra Elettrone e Protone c'è una Forza di Attrazione COULOMBIANA.
Tutti i materiali sono costituiti da Atomi,il NUCLEO è carico POSITIVAMENTE e in esso è concentrata la MASSA dell'atomo.
Gli ELETTRONI sono particelle cariche NEGATIVAMENTE,lontane dal nucleo,la carica totale portata dagli elettroni (negativa) compensa la carica positiva portata dal nucleo (Protoni),quindi l'Atmo è
NEUTRO.
Il NUCLEO contiene PROTONI e NEUTRONI.
Il numero dei Neutroni presenti nella struttura dell'atomo è uguale a quella dei Protoni,ma ci sono anche atomi che hanno il numero dei Protoni diverso da quello dei neutroni,questi atomi si chiamano ISOTOPI.

MODELLO PLANETARIO

Il modello Planetario dell'Atomo immagina che l'Elettrone ruoti intorno al Nucleo come la Terra ruota intorno al Sole. Questo vecchio modello però non ha un gran senso. Vediamo perchè.
In un modello dell'atomo di tipo Planetario, avremo che l'Elettrone è attratto da una forza coulombiana verso il nucleo,mentre,allo stesso tempo,tende ad essere allontanato dall'orbita dalla
forza Centrifuga . Se le due forze sono equivalenti,l'orbita è stabile.
Una carica accelerata come l'elettrone che ruota intorno al nucleo,emette onde ELETTROMAGNETICHE ma l'energia emessa deve essere ricavata da qualche parte e infatti ciò determina un impoverimento dell'energia del sistema,se l'atomo emette energia,si può prevedere che col tempo,perda una equivalente energia MECCANICA e quindi l'orbita dell'elettrone diventerebbe sempre più piccola e alla fine l'elettrone cadrebbe sul Nucleo.
Questo fatto porterebbe a 2 conclusioni:
1)che gli Atomi NON sono stabili,quindi in qualche modo un atomo dovrebbe scomparire,ma noi sappiamo che gli ATOMI SONO MOLTO STABILI.
2)Un'altra conseguenza è che se fosse vero che un elettrone perde energia e cade sul Nucleo con un'orbita spiraleggiante,dovrebbe accadere che l'elettrone cambia continuamente la FREQUENZA di EMISSIONE e quindi mi aspetto che, se vado a vedere la LUCE emessa in qualche banda di frequenze dell'atomo considerato,vedrei una luce emessa un po' in tutte le frequenze. Questo perchè quando noi analizziamo una certa quantità minima di quel materiale,essa contiene un certo numero di atomi dello stesso tipo e ognuno avrà un decadimento diverso dell'ORBITA del suo Elettrone,in un atomo l'elettrone avrà appena iniziato l'avvicinamento al nucleo,in un altro sarà un po' più vicino,in un altro ancora sarà prossimo a cadere sul nucleo e così via. Quindi la LUCE emessa nell'insieme,NON SAREBBE MONOCROMATICA.
Questa analisi si può fare ed è l'ANALISI SPETTROGRAFICA della luce emessa da una particolare sostanza.
Allora per esempio,si considera l'IDROGENO GASSOSO e vediamo che cosa succede. Se fosse vero il modello esposto (Planetario),mi aspetterei uno Spettro di Emissione A BANDE in cui tutte le frequenze sono rappresentate,quindi dovrei vedere LUCE DI TUTTI I COLORI.
Quando però facciamo un'Analisi Spettrale nel visibile della luce emessa dall'Idrogeno,vediamo che esso emette solo su certe frequenze e perchè non su altre?
PERCHE' L'ATOMO E' STABILE e quindi l'elettrone non modifica la sua orbita.

NOTA: una nota di fondamentale importanza è che per decidere se una Teoria è giusta o sbagliata
dobbiamo sempre fare riferimento all'EVIDENZA SPERIMENTALE,la quale solamente può
dirci se le regole seguite sono giuste o se vanno cambiate e in questo caso,ci dice che
vanno cambiate.

MODELLO ATOMICO DI BOHR

Per risolvere il problema,NIELS BOHR (Copenaghen 7 ottobre 1885 - 18 novembre 1962) fisico e matematico danese,propose un modello atomico in grado di spiegare i dati sperimentali. Secondo Bohr il Raggio che misura la distanza fra il Nucleo e l'Elettrone, NON può variare con continuità e quindi andare sempre diminuendo. Ma questo raggio può assumere solo dei valori che sono MULTIPLI di un valore fondamentale.
Questo raggio viene chiamato: RAGGIO DI BOHR dell'atomo di IDROGENO.
Quindi ci sarà una distanza MINIMA che separa un elettrone dal Nucleo,tutti gli altri raggi sono evidentemente maggiori.
Ci sono di conseguenza anche delle diverse ENERGIE associate alle varie ORBITE DI BOHR. Quindi non tutte le orbite sono possibili,ma soltanto quelle che hanno determinati raggi e queste orbite
SONO STABILI.
Quindi questa descrizione è molto diversa da quella Classica perchè esistono delle orbite consentite e sono STABILI,quando un Elettrone è sopra un'orbita di questo tipo,non perde energia perchè è un' ORBITA STAZIONARIA,cioè consentita.
La conseguenza è che gli Atomi non emettono energia fino a quando si trovano in STATI
STAZIONARI,l'emissione di energia non avviene con continuità ma solamente quando un atomo passa da uno stato ad un altro e durante questo cambiamento si ha l'emissione di uno o più
PACCHETTI DI ENERGIA o QUANTI.
Bohr introdusse l'idea che un elettrone possa cadere da un'Orbita di alta energia a una con energia
più bassa,emettendo un FOTONE di energia definita.
QUESTA TEORIA FU LA BASE DELLA TEORIA DEI QUANTI.
Il modello atomico dell'atomo di Idrogeno proposto da Bohr ebbe vita breve perchè riusciva a spiegare le frequenze dello spettro dell'atomo di Idrogeno,ma non riusciva a spiegare le frequenze dello spettro degli atomi polielettronici (l'atomo di Idrogeno ha 1 solo elettrone).


Alla fine del secolo scorso si pensava che la MECCANICA NEWTONIANA fosse una meccanica completa,capace di spiegare le leggi meccaniche dell'Universo,dall'infinitamente piccolo,
all'infinitamente grande.

MECCANICA QUANTISTICA

Rappresenta la Fisica del 20° secolo,ed è il tipo di approccio che è necessario per lo studio delle
proprietà MICROSCOPICHE della materia allo stato condensato e non condensato. In pratica,le proprietà dei sistemi ATOMICI e SUBATOMICI non possono essere spiegati in termini della meccanica e della Elettrodinamica CLASSICHE,ma debbono essere spiegate in modo diverso e cioè
con la Meccanica Quantistica. La Fisica Atomica e la SPETTROSCOPIA degli atomi fornivano continuamente delle prove della inadeguatezza della meccanica classica nella descrizione di alcuni risultati sperimentali attinenti alla fisica degli atomi.
Anche Einstein aveva fatto delle critiche alla meccanica classica,dalle quali poi nasce la RELATIVITA' RISTRETTA e la RELATIVITA' GENERALE.


Dopo queste interpretazioni venne formulato il PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISEMBERG: esso dice che non ha più valore scientifico la definizione di ORBITE percorse dagli
Elettroni.

SCHRODINGER (Vienna 12 agosto 1887 - 4 gennaio 1961) fisico e matematico austriaco, propose un'equazione in cui l'elettrone nell'atomo viene descritto come un'ONDA ,quindi non si parlerà più di orbite descritte dall'elettrone e di determinati raggi,ma si parla soltanto di PROBABILITA' di trovare l'Elettrone in certe zone.

L'ELETTRONE è caratterizzato dai NUMERI QUANTICI che sono 3 più il NUMERO QUANTICO DI SPIN (ms con s a pedice)
che esprime la ROTAZIONE in senso ORARIO o ANTIORARIO.
Quando l'Elettrone gira in senso Orario si forma un piccolo magnete col Polo Nord in alto e il Polo Sud in basso,quando gira in senso Antiorario, il piccolo magnete presenta il Polo Sud in alto e il Polo Nord in basso. A seconda se il Polo Nord è in alto o in basso,si ha STABILITA' o INSTABILITA'.

I NUMERI QUANTICI sono 3: PRINCIPALE (n),SECONDARIO (l),MAGNETICO (m)
Ogni combinazione dei 3 numeri quantici fra di loro definisce un ORBITALE.

DENSITA' DI PROBABILITA'
è la probabilità di trovare un Elettrone in un punto dello spazio. Quindi nella MECCANICA ONDULATORIA non si parla più di ORBITE descritte dall'elettrone,ma si parla soltanto di ZONE DI
PROBABILITA' in cui trovare l'Elettrone.

Dunque abbiamo detto che un ATOMO può emettere ENERGIA ELETTROMAGNETICA quando un
ELETTRONE passa da un'orbita ad alta energia ad una ad energia minore.
L'ENERGIA TOTALE di un sistema si deve conservare,quindi se un atomo emette LUCE cioè
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA,è inevitabile che l'atomo perda energia.
Bohr assunse che questa differenza di Energia fra due livelli fosse scambiata interamente col campo di RADIAZIONE ,ma sotto forma di 1 o più QUANTI DI RADIAZIONE.

LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA E' DI TIPO CORPUSCOLARE.

Sul finire del secolo,la Teoria del Corpo Nero prevede che la LUCE in realtà non scambi delle quantità arbitrarie di ENERGIA,ma soltanto dei PACCHETTI DI ENERGIA cioè i QUANTI o FOTONI.

Una particella molto leggera per esempio un ELETTRONE,può essere deviata dalla luce e quindi esiste uno SCAMBIO di QUANTITA' DI MOTO fra il campo elettromagnetico e la particella stessa.
Questo effetto si può interpretare se si ammette che la Luce sia un insieme di PARTICELLE,quindi l'urto fra la luce e un elettrone può essere visto come l'urto fra due piccole palline dure cioè da una parte l'ELETTRONE e dall'altra un FOTONE o QUANTO DI LUCE.

DATI SPERIMENTALI

I dati sperimentali ci dicono che le ONDE ELETTROMAGNETICHE si possono concepire come formate sia da una componente ONDULATORIA sia da una componente CORPUSCOLARE.
Con quale esperimento possiamo dedurre ciò?
Con 2 esperimenti fondamentali.
1)In uno vengono impiegati dei FOTONI
2)In un altro,vengono impiegati degli ELETTRONI.

Sia i FOTONI che gli ELETTRONI vengono lanciati da una sorgente puntiforme attraverso uno schermo contenente due fenditure,dietro alle fenditure c'è un altro schermo su cui vanno ad impattare sia i Fotoni che gli Elettroni.
Quando i Fotoni o gli Elettroni vengono lanciati uno ad uno,essi attraversano le fenditure e vanno a colpire lo schermo finale con una distribuzione del tutto CASUALE cioè un po' dovunque,in modo irregolare,come se fossero dei piccoli proiettili che colpiscono a caso.
Quando aumentiamo di molto il numero dei Fotoni o degli Elettroni che partono dalla sorgente e che attraversano le fenditure,allora vediamo che essi si distribuiscono sullo schermo finale A BANDE,cioè si concentrano di più in alcuni punti,mentre lo spazio fra le bande,ne è privo.
Questo è un puro fenomeno di INTERFERENZA, che non potrebbe avvenire se la radiazione elettromagnetica fosse di natura esclusivamente CORPUSCOLARE.
Bisogna pensare,in base a questi fenomeni,che una Radiazione Elettromagnetica sia composta da fenomeni ONDULATORI e CORPUSCOLARI .

MISURA DI UNA PARTICELLA ELEMENTARE

Se davanti a me ho un grosso oggetto da misurare,per esempio un tavolo,posso misurarne le dimensioni in modo semplice,senza alterare il suo STATO DI MOTO,cioè se il tavolo è fermo,quando lo misuro,rimarrà fermo.

Supponiamo ora che l'oggetto da misurare sia molto piccolo,per esempio un singolo ELETTRONE.
Se voglio misurare i dati di questo elettrone,devo usare un raggio di LUCE quindi una Radiazione
Elettromagnetica,che tuttavia trasporta con sè una certa ENERGIA e quindi anche una certa QUANTITA' DI MOTO,per cui quando il raggio luminoso colpisce l'Elettrone,è inevitabile che ne
modifichi la sua Quantità di Moto.
Allora posso pensare di ridurre sempre più l'intensità della radiazione elettromagnetica usata per la misura,ma a questa riduzione c'è un limite ben preciso perchè il livello minimo a cui posso ridurre la radiazione equivale ad 1 solo FOTONE. Questo perchè sappiamo che la radiazione ha una energia QUANTIZZATA,cioè fatta di pacchetti di energia e quindi non posso ridurla a meno di un pacchetto ovvero a meno di 1 FOTONE,se elimino anche questo unico fotone,allora rimarrebbe solo il BUIO e quindi non potrei più misurare niente.

Ma il problema rimane ancora perchè anche un unico FOTONE trasporta ENERGIA e QUANTITA'
DI MOTO,anche se piccole,quindi nel momento stesso in cui incontra l'ELETTRONE,si ha un urto fra le due particelle cioè fra il FOTONE e l'ELETTRONE che scambiano fra loro la QUANTITA' DI MOTO,per cui sia il FOTONE che l'ELETTRONE verranno deviati a vicenda.
Quindi diventa impossibile misurare i dati di un Elettrone: la sua POSIZIONE,VELOCITA' e TRAIETTORIA perchè nel momento stesso in cui il FOTONE lo colpisce per misurare questi dati,l'Elettrone si sposta da un'altra parte e quindi non potremo sapere mai con precisione assoluta dove si trova o che Velocità possiede o quale è la sua traiettoria!
Quindi non abbiamo la possibilità di conoscere simultaneamente con precisione infinita la quantità di MOTO e la POSIZIONE di una PARTICELLA.
Quindi in MECCANICA QUANTISTICA non ha senso parlare di TRAIETTORIA perchè non posso conoscere insieme la POSIZIONE e la QUANTITA' DI MOTO di una particella e quindi POSIZIONE e
VELOCITA' per cui non posso parlare neanche di ORBITE o di RAGGI DI BOHR e allora il modello atomico di Bohr perde validità,non possiamo parlare di Orbite con un RAGGIO ben determinato
perchè non possiamo in realtà misurare questo raggio senza perturbare lo stato dell'atomo e dell'elettrone che ruota attorno all'atomo.

Da quanto detto,posso conoscere lo STATO DI MOTO del sistema solo con una certa
APPROSSIMAZIONE,INDETERMINAZIONE e quindi devo abbandonare i concetti classici di Traiettoria,Posizione e Velocità di un corpo perfettamente conosciute e quindi devo creare qualcosa di nuovo per capire l'evoluzione di un SISTEMA MICROSCOPICO.

ALLORA POSSIAMO CHIEDERCI:
se non conosciamo di un ELETTRONE che si muove,nè la POSIZIONE,nè la VELOCITA',nè la
TRAIETTORIA INSIEME, che cosa possiamo dire del nostro oggetto? Non possiamo dare dei valori numerici a questi parametri!

L'UNICA COSA CHE POSSIAMO FARE:
è definire la PROBABILITA' che l'ELETTRONE si trovi in un certo stato,che si trovi cioè in un certo punto dello spazio,in un certo istante di tempo.

VERIFICA DELLO STATO DI PROBABILITA':
la verifica di questo Stato di PROBABILITA' in cui può trovarsi un Elettrone la possiamo trovare ripensando al fenomeno della DIFFRAZIONE delle Onde Elettromagnetiche attraverso uno schermo con due feritoie,che abbiamo già descritto,infatti le BANDE DI DIFFRAZIONE che si vedono sullo schermo,come conseguenza del campo ONDULATORIO associato al moto di un elettrone,ne
PARAMETRIZZA in qualche modo,un'AMPIEZZA DI PROBABILITA' e dà informazioni proprio sulla PROBABILITA' che noi abbiamo di trovare una particella in un certo punto dello Spazio ad un certo Istante di tempo.

Quindi la FUNZIONE D'ONDA racchiude tutto ciò che io posso sapere dello STATO DINAMICO di una particella,mi dice qual'è la PROBABILITA' che in certi istanti di tempo questa particella sia in un certo punto dello Spazio.
L'andamento ONDULATORIO è regolato dall'Equazione di SCHRODINGER.


L'EVOLUZIONE DELLA VITA CONTINUA DOPO LA FORMAZIONE DEGLI ATOMI CON:

-la formazione degli AMINOACIDI, poi con la
-formazione delle PROTEINE e ancora con
-la formazione delle MOLECOLE ed infine con
-la formazione del DNA da cui derivano tutti gli esseri viventi,compreso l'UOMO.

E LA STORIA CONTINUA ..........
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A T O M I Non sappiamo come l'Universo abbia avuto origine,ma la sua storia inizia per noi DAL MOMENTO IN CUI ERA NATO DA APPENA 1 MILIARDESIMO DI SECONDO. Quando l'Universo incomincia a raffreddarsi ciò permette ai NEUTRONI e ai PROTONI di legarsi e formare così i primi NUCLEI ATOMICI,quello...
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