| Benvenuti nella rubrica che cerca di trasmettervi parte della mia passione per la fisica 
Come funziona l'Universo?
In questo topic parleremo (nel modo concettualmente più semplice possibile) delle principali leggi che regolano il nostro universo: dalla gravità, all'elettromagnetismo, alle distorsioni temporali, ai buchi neri, al funzionamento delle stelle, alle particelle e alle interazioni della materia, dell'antimateria, della materia oscura e chi più ne ha più ne metta.
Perché interessarsi a certe cose?
Bhe, siamo su un forum che tratta di un videogioco di fantascienza. Inoltre ritengo che, mettendo da parte la matematica e le complesse equazioni necessarie per dimostrare queste leggi, sia affascinante sapere come il mondo intorno a noi funzioni: la conoscenza di esso è un ottimo propulsore per la fantasia, e potreste scoprire (come ho fatto io) che nel noioso mondo reale esistono meraviglie che andavano letteralmente oltre la vostra immaginazione.
Ciò che leggerete (quindi immagini escluse) non è frutto di alcun copia e incolla, pertanto vi ricorderò più volte che qualsiasi domanda è sempre ben accetta, anche su vecchie lezioni. Non esistono dubbi troppo stupidi, a maggior ragione se consideriamo che sarò io a spiegare le cose
Inoltre a me piace parlarne e sono enormemente gratificato quando aiuto qualcun altro a comprendere, pertanto facendomi domande contribuite anche a questo  Inutile dirlo: se comprendete tutto, i feedback sono ben accetti tanto quanto le domande 
Argomenti attualmente previsti (soggetti a variazioni)
Avete argomenti da proporre? Fatemelo sapere! Altrimenti seguiremo questa scaletta:
Parte 1: Gli atomi
Parte 2: Reazioni chimiche
Parte 3: Reazioni nucleari
Parte 4: Nascita delle stelle e della materia
Parte 5: La relatività di Einstein: la distorsione spaziotemporale
Parte 6: La morte delle stelle supermassicce: i buchi neri
Parte 7: La nascita e la morte dell'Universo (materia oscura ed energia oscura)
Parte 1: gli atomi
La materia comprende quasi tutto ciò che conosciamo:
galassie, stelle, pianeti... e il nostro corpo.
Noi e tutti i corpi celesti abbiamo in comune
l'essere costituiti dai mattoni della
materia: gli atomi.
Com'è fatto un atomo
Cerchiamo come prima cosa di acquisire le basi per poter parlare di cose interessanti come le stelle, le supernove ed i buchi neri .
Tutto ciò che vediamo quotidianamente è fatto da atomi ognuno dei quali corrisponde ad un elemento chimico. Possiamo immaginare un atomo come un insieme di piccolissime sfere ammassate in un nucleo, circondate da sfere ancora più piccole che gli orbitano attorno.
Gli atomi sono molto più semplici di quello che potete immaginare, difatti tutti gli atomi dell'universo sono costituiti da soli tre elementi: protoni, neutroni ed elettroni.
-Gli elettroni girano attorno al nucleo come vedete in figura, e sono particelle fondamentali (ovvero non sono costituiti da altre particelle più piccole).
-I protoni ed i neutroni sono accozzati assieme nel nucleo dell'atomo e non sono particelle fondamentali. Ciascuno di essi è infatti formato da tre particelle fondamentali dette quark tenute insieme da altrettanti gluoni  . Per il momento dimenticatevi quest'ultima informazione e considerateli come sfere, al pari degli elettroni ma più grandi.
-Gli elettroni sono mille volte più piccoli dei neutroni e dei protoni. Pertanto quando si deve calcolare il peso di un atomo, si fa finta che gli elettroni non esistano e si calcola solo il peso dei neutroni e dei protoni.
-Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa.
-I protoni hanno una carica elettrica positiva, pari a quella degli elettroni ma di segno opposto.
-I neutroni non hanno alcuna carica elettrica.
-Un atomo di solito ha lo stesso numero di protoni ed elettroni.
Mettendo insieme queste informazioni, deduciamo che gli atomi sono di solito elettricamente neutri, ovvero hanno carica totale pari a zero. Infatti se prendiamo un atomo di ossigeno, osserveremo che esso ha otto protoni (quindi una carica positiva +8) e otto elettroni (quindi carica -8) che messi assieme si annullano (+8-8=0).
Capiamo anche che gli elettroni girano attorno al nucleo proprio grazie alla loro carica elettrica: gli opposti si attraggono, pertanto l'elettrone negativo è attratto dal nucleo positivo, così come la Luna è attratta dalla Terra. Nel caso della Luna, la forza in campo è la gravità, nel caso atomico invece abbiamo a che fare con l'elettromagnetismo.
Ciò che non capiamo è: come fa il nucleo a stare assieme? Se è vero che gli opposti si attraggono e gli uguali si respingono, come mai i protoni nel nucleo non si respingono fra loro? Questa è una domanda che a liceo mi sono sempre posto, ma per fornire una spiegazione esaustiva è necessario introdurre una terza forza (chiamata "interazione forte"), ben più potente di quella elettromagnetica. Per il momento ritengo prematuro mettere troppa carne sul fuoco (difatti non ho mai avuto risposte a liceo), pertanto prendete per buono che il nucleo atomico resta unito nonostante la repulsione elettromagnetica .
La tavola periodica
Idrogeno, elio, litio, ossigeno, carbonio, oro, platino, mercurio, rame, ferro, titanio, zinco, azoto, zolfo, alluminio... sono tutti tipi di atomi che si distinguono per diverso numero di protoni, neutroni ed elettroni. Sono sicuro che abbiate sentito nominare tutti o quasi tutti questi elementi: infatti come ho già detto, ogni tipo di atomo corrisponde ad un elemento e ciascun elemento è catalogato nella "tavola periodica", ovvero una tabella che classifica gli atomi a seconda delle loro proprietà.
Leggendola da sinistra verso destra, si va dagli atomi più semplici (come l'idrogeno col simbolo H) a quelli più complessi (come l'oro col simbolo Au).
Ma come facciamo, vedendo un atomo, a stabilire che atomo è? Se vediamo un'ammasso informe di protoni e neutroni, come facciamo a capire che è uranio, plutonio, o semplice rame? Il segreto è tutto nel numero che potete leggere in figura dentro ogni casella della tavola periodica, detto numero atomico.
Il numero atomico molto semplicemente è il numero di protoni che ha un atomo. L'idrogeno ad esempio ne ha solo uno (infatti potete vedere il numero 1 sopra il simbolo H) mentre l'uranio ne ha ben 92 (infatti c'è un 92 sopra il simbolo U). Quindi possiamo convenire che il tipo di atomo è stabilito solo dal numero di protoni che ha il suo nucleo. Se io fossi in grado di aggiungere un protone ad un nucleo di idrogeno (che ha numero atomico 1), lo trasformerei in elio (che ha numero atomico 2). Se fossi in grado di togliere un protone dal nucleo di un atomo di mercurio (che ha numero atomico 80) lo trasformerei in oro (che ha numero atomico 79). Come vedremo, modificare la struttura interna di un nucleo atomico è quasi impossibile e ciò avviene solo in condizioni estreme grazie alle reazioni nucleari, che hanno questo nome proprio perché sono le uniche a poter alterare il nucleo.
Spesso nelle tavole periodiche accademiche troverete altri numeri associati ad ogni tipo di atomo, che includono (nell'esempio del carbonio in figura) il tipo di orbitali esterni (2s22p2), la temperatura di fusione e di ebollizione (3550 e 4827 gradi), il numero di massa atomica (12,011) e altri dati che potremmo approfondire in futuro.
Curiosità sugli atomi: in natura esistono solo gli atomi fino al numero 94. Quelli dal 95 in poi sono creazioni fatte da noi umani in laboratorio, e teoricamente non esiste un limite al numero di atomi che possiamo realizzare.
Gli isotopi
Introduciamo un semplice argomento che ci sarà fondamentale in futuro per capire la fusione nucleare e il funzionamento delle stelle: gli isotopi. Cos'è un isotopo? Un isotopo è un normalissimo atomo che ha un numero di NEUTRONI diverso da quello che ha normalmente in natura. Ricordiamoci che i neutroni sono sfere presenti nel nucleo, grandi quanto i protoni ma senza carica elettrica. Pertanto un isotopo, proprio come un atomo normale, è elettricamente neutro.
Prendiamo l'atomo più semplice e leggero che esista come esempio: l'idrogeno. L'idrogeno è formato da un solo protone, con un solo elettrone che gli orbita attorno, senza alcun neutrone. Sulla terra, più del 99% dell'acqua esistente è fatta da atomi di idrogeno di questo tipo, ma esistono anche degli isotopi dell'idrogeno: il deuterio (che ha un neutrone in più del normale) ed il trizio (che ha due neutroni in più del normale).
Credo sia bene aver presente che tutti gli atomi in figura, pur avendo nuclei diversi, sono lo stesso identico elemento (idrogeno) perché il tipo di atomo è determinato solo dal numero di protoni, non da quello di neutroni.
Quindi, se tutti e tre questi atomi sono atomi di idrogeno, cosa hanno di diverso? Tanto per cominciare gli isotopi sono più instabili della loro controparte naturale (tema di cui parleremo in futuro) ma hanno anche massa diversa fra loro. Un protone ed un neutrone pesano più o meno uguale, pertanto il deuterio pesa circa il doppio dell'idrogeno standard, mentre il trizio pesa il triplo. Per farvi un esempio pratico, se voi doveste sollevare una tanica da nove litri d'acqua (che di solito pesa 9 chili), essa peserebbe 10 chili se l'acqua fosse fatta da atomi di deuterio, e 11 chili se fosse fatta da atomi di trizio.
Quando si parla di isotopi, di solito troverete scritto in alto a sinistra del simbolo chimico un numero, che corrisponde al numero di particelle del suo nucleo. Se H è il simbolo dell'idrogeno, 1H sarà il simbolo dell'idrogeno standard, 2H sarà invece il deuterio e 3H il trizio.
Gli ioni
Arriviamo finalmente a parlare di ioni, argomento indispensabile per capire come gli atomi interagiscono fra loro in alcune reazioni chimiche.
Cos'è uno ione? Uno ione è un atomo elettricamente carico, che ha perso degli elettroni (detto ione positivo, o catione) o che ha acquisito degli elettroni in più (detto ione negativo, o anione).
Vi ricordo che un atomo al suo stato naturale ha lo stesso numero di protoni ed elettroni, quindi un atomo di ossigeno (che ha numero atomico 8) ha esattamente otto protoni e otto elettroni. Tuttavia, talvolta può capitare che gli atomi interagiscono fra loro (cosa che vedremo nel dettaglio nella prossima parte) sottraendosi elettroni a vicenda. Prendiamo in esame due casi per il nostro amico ossigeno:
-Caso 1: un atomo passa vicino all'ossigeno, e l'ossigeno ne approfitta per rubargli un elettrone.
Cosa succede? L'ossigeno ora ha 9 elettroni e 8 protoni. Esso diventa quindi carico negativamente dato che la sua carica complessiva è +8 (data dai protoni) -9 (data dagli elettroni) = -1. La carica di uno ione si scrive in alto a destra del suo simbolo atomico, nel caso dell'ossigeno con simbolo O, si scriverà O-.
-Caso 2: un atomo passa vicino all'ossigeno, ed il povero ossigeno viene derubato di uno dei suoi elettroni.
Cosa succede? In questo caso, l'ossigeno ha 7 elettroni e 8 protoni. Esso diventa quindi carico positivamente dato che la sua carica complessiva è +8 (data dai protoni) -7 (data dagli elettroni) = +1. Il suo simbolo si scriverà O+.
Nell'esempio che segue vediamo la ionizzazione di un atomo di litio (con simbolo "Li" e numero atomico 3, quindi con 3 protoni nel nucleo e 3 elettroni che gli orbitano attorno) durante la quale perde un elettrone diventando Li+.
Da notare che durante questi processi di ionizzazione sono solo gli elettroni di un atomo a modificarsi, non il suo nucleo quindi siamo di fronte a delle reazioni chimiche, non nucleari.
Per il momento mi fermerei qui, abbiamo trattato alcune nozioni di base piuttosto noiose, ma vi assicuro che le useremo per comprendere concetti ben più affascinanti  .
Nella prossima parte tratteremo le reazioni chimiche, per poi passare a quelle nucleari  .
Edited by THE RATCHET CHAMPION - 30/5/2021, 21:00 |
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Per ora ho capito tutto, il che è strano considerando che la mia parte di cervello adibita a questo genere di cose è praticamente sempre morta 
SPOILER (clicca per visualizzare)
