Cosa studia la fisica atomica?
La fisica è una materia affascinante che racchiude in sé molte applicazioni e molte altre branche. Questa materia ha sempre attirato un sacco di giovani curiosi, ma a causa della sua complessità, molti non riescono a proseguire il percorso di studi.
In quest’articolo vogliamo cercare di incuriosire e chiarire dei dubbi su ciò che riguarda una branca della fisica in particola: la fisica atomica.
Sommario
Cos’è la fisica atomica?
La fisica atomica è la branca della fisica che studia gli atomi come sistemi isolati, comprendenti elettroni e nuclei atomici. Riguarda principalmente la disposizione degli elettroni attorno al nucleo e i processi mediante i quali tali disposizioni mutano.
Tale ambito coinvolge chiaramente gli atomi neutri così come gli ioni. La fisica atomica comprende così anche la descrizione e l’evoluzione del modello atomico.
Il termine fisica atomica è spesso erroneamente associato all’energia nucleare e alle bombe nucleari (o bombe atomiche, appunto). Ma quell’ambito tuttavia è di interesse della sottobranca della fisica nucleare che focalizza invece l’attenzione solo sul nucleo atomico e le rispettive forze nucleari.
Cosa studia la fisica atomica?
Una delle prime domande che ci si pone quando s’inizia a indagare sulla natura degli oggetti che ci circondano è: “Di che cosa è fatto?“.
Oggi sappiamo che la risposta è sempre: “E’ fatto di un numero enorme di particelle piccolissime, invisibili anche al più potente microscopio: è fatto di atomi“.
Tutti gli oggetti, anche i più familiari, possono rientrare in due categorie: quelli costituiti da molte parti diverse unite alla rinfusa e quelli che invece sembrano costituiti da una sostanza unica. Abbiamo cioè corpi eterogenei e corpi omogenei.
Ma sino a che punto un corpo omogeneo si conserva tale quando se ne osservano particolari sempre più minuti?
Gli inizi della fisica atomica
Possiamo pensare di rompere un corpo omogeneo in parti sempre più piccole per vedere se anch’esso non è costituito da sostanze differenti.
Ma questo processo di suddivisione andrà avanti all’infinito, oppure dovremo necessariamente arrivare a un punto in cui le particelle ottenute non potranno più essere divise?
Di quest’ultima opinione era Democrito, un “fisico” della Grecia antica. Egli affermò che tutti i corpi sono costituiti da particelle tanto piccole da essere invisibili, infinitamente dure, non ulteriormente divisibili, immutabili, eterne: gli atomi. “Atomo” in greco significa appunto indivisibile.
La sua dottrina fu elaborata circa 150 anni dopo, dal filosofo greco Epicuro e proprio nella forma assunta con egli, è giunta a noi attraverso il più straordinario saggio poetico di divulgazione scientifica che sia mai stato scritto: il De Rerum Natura (La Natura) del poeta latino Lucrezio.
In esso apprendiamo che gli atomi si trovano immersi nel vuoto assoluto. Questo vuoto è presente ovunque e gli atomi si muovono in esso, si urtano e si uniscono a formare tutte le cose, e poi si separano nel disfacimento delle cose stesse.
Come si uniscono gli atomi?
Una qualsiasi teoria atomica deve rendere ragione di un fatto molto importante: come sono uniti tra loro i diversi atomi a formare i diversi corpi che possono essere anche molto duri, come per esempio il diamante?
Secondo Epicuro, alle diverse forme degli atomi corrispondono le diverse possibilità di aggregazione per cui in natura si osservano corpi con proprietà molto differenti.
La possibilità di dar origine a corpi solidi; per esempio, è dovuta alla particolare forma degli atomi che li costituiscono, forniti di uncini e di protuberanze in modo da restare strettamente uniti tra loro.
Le basi della fisica atomica
La fisica atomica studia principalmente la struttura degli atomi e i loro livelli di energia. e la spettroscopia relativa alle transizioni di elettroni da un livello energetico a un altro, esaminando quindi in modo particolare le interazioni degli atomi con il campo elettromagnetico.
L’oggetto della fisica atomica comprende lo studio della struttura del nucleo atomico, l’analisi dei suoi livelli energetici, l’interpretazione dei possibili processi di interazione tra nuclei e altre particelle subatomiche o radiazioni (reazioni nucleari) e soprattutto la ricerca di una teoria soddisfacente delle forze nucleari.
Fra tutte le esperienze usate per formulare la teoria della struttura atomica, ve ne sono alcune che hanno avuto maggior influenza nel rivelare le sue principali caratteristiche.
Vi sono stati fondamentalmente tre stadi principali:
- la scoperta della natura elettrica della materia e della natura dell’elettricità stessa (1900);
- la scoperta che l’atomo è costituito da un nucleo circondato da elettroni (1911);
- la formulazione delle leggi meccaniche che governano il comportamento degli elettroni nell’atomo (1925).
Dopo questi chiarimenti generali, andiamo ad analizzare un fenomeno nato dallo studio della fisica atomica: gli armamenti atomici.
La bomba atomica
Bomba atomica è il nome comune della bomba a fissione nucleare. Questa bomba è un ordigno esplosivo la cui energia è prodotta da una reazione a catena di fissione nucleare.
Appartiene al gruppo delle armi nucleari. Questo gruppo include anche le armi basate sull’altro principio di reazione nucleare, cioè le bombe a fusione nucleare (dette armi termonucleari).
Si basa su un processo di divisione del nucleo atomico di un elemento pesante, detto fissile, in due o più nuclei di massa inferiore. Tale processo è provocato dalla collisione con un neutrone libero.
La rottura del nucleo produce a sua volta, oltre che nuclei più leggeri, anche solitamente qualche altro neutrone libero, oltre ad una quantità molto significativa di energia.
Se il materiale fissile ha un grado di concentrazione sufficiente ed è in una massa sufficientemente grande, detta massa critica, i neutroni liberi prodotti a loro volta sono in grado di colpire nuovi nuclei di elemento fissile. Tutto ciò produce una reazione a catena che si propaga per tutta la massa di materiale e libera una enorme quantità di energia in un tempo brevissimo.
Nell’uso moderno il termine “bomba atomica” (talvolta “bomba nucleare“) viene usato anche per indicare armi di quest’ultimo tipo. Quindi il termine indica anche le armi termonucleari, in quanto queste ultime costituiscono quasi interamente gli arsenali nucleari di oggi.
