Con gli occhi di una particella

Atomo – Fisica in digitale. Disponibile su http://www.altranatura.it/?p=605


Per la XX Edizione de Il Carnevale della Fisica


L’Effemerottero (o Effimera) è un curioso insetto famoso per la brevità della sua vita che è stata descritta da Carlo Linneo con queste parole:

“Volatiles factae brevissimo fruuntur gaudio, uno saepe eodemque die nuptias, puerperis et exequias celebrantes – Le effimere divenute alate, godono di una brevissima gioia poiché celebrano nello stesso giorno nozze, puerperio e morte”.

Se osservassimo con gli occhi di questo animale, sicuramente la nostra valutazione del trascorrere del tempo sarebbe differente, perché il nostro tempo è lungo se confrontato con quanto l’Effimera riesce a fare, pur in periodi così brevi, rispetto al nostro punto di vista di osservatori esterni.

Nel suo Codice Trivulziano, Leonardo da Vinci, cercando di definire l’essenza del tempo, ci dà un’immagine molto suggestiva di come noi riusciamo a percepire il tempo presente:

“L’acqua che tocchi dei fiumi è l’ultima di quella che cade e la prima di quella che viene; così è il tempo presente… Una vita bene spesa lunga è”.

La fisica con le sue leggi e i suoi principi attribuisce alle particelle una vita che si manifesta nel tempo ed è legata al movimento, dato che molte particelle evolvono e sono soggette ad un decadimento che le trasforma in altre particelle. Per questo motivo si afferma che le particelle si materializzano e interagiscono tra loro, ossia risentono della presenza di altre particelle come se avessero “qualità sensoriali”, concetto che risale ai tempi di Francesco Bacone.

Soffermiamoci a considerare la vita media delle particelle. Sembra che il protone abbia un tempo di vita dell’ordine di 10^31 anni, ossia un 1 seguito da 31 zeri. Questo tempo non siamo mai stati in grado di misurarlo, ovviamente.
Come si fa allora ad affermare che il tempo di vita delle particelle può arrivare a questo ordine di grandezza? Dato che non è possibile misurarlo su ogni singola particella, si considera il comportamento statistico di un gran numero di particelle e tanto più elevato è tale numero, tanto più indicativo è tale valore. Quindi, il concetto di vita media di una particella è un valore statistico.

L’età del nostro universo è di circa 13 miliardi di anni. Il decadimento di un protone risulterebbe quasi sempre speranza perché i calcoli portano ad affermare che statisticamente in 10^31 protoni si osserva un solo decadimento all’anno. Tuttavia, è proprio questo quello che si vuole osservare e molte ricerche vanno proprio in questa direzione. Il protone è considerata la particella più stabile, insieme all’elettrone che non decade. I neutroni, invece, quando sono liberi e quindi non fanno parte del nucleo atomico, hanno una vita media di soli 10,8 minuti. Il neutrone, come il protone e l’elettrone, fa parte della famiglia delle particelle stabili anche se i tempi di vita sembrerebbero brevi.

 

Il mesone è una particella che ha una massa intermedia tra quella dell’elettrone e quella del protone, con dimensioni di circa 10^13 cm e con una velocità media di circa 10^10 cm/s e la sua vita media è pari a circa un centomilionesimo di secondo, che tradotto in numeri equivale a 1,8×10^-8 s.
In questo tempo di vita apparentemente il mesone è in grado di percorrere 100.000 miliardi di volte la propri dimensione, che è pari a un centomiliardesimo di centrimetro. Questo significa una distanza pari a 100 cm. Ma questa particella è stabile o meno?

 

Tabella di alcuni decadimenti disponibile su: http://www.bo.astro.it/universo/webuniverso/bedogni/bed6.html


Per capire bene se questo è valore piccolo o grande facciamo un confronto con la nostra automobile. La nostra automobile si può definirla stabile anche dopo che essa ha percorso 300.000 km (o forse sta perdendo i pezzi per strada). Tuttavia, l’auto essendo lunga circa 5 metri, percorre solo 60 milioni di volte la propria lunghezza, mentre il mesone, vivendo “solo” un centomilionesimo di secondo, percorre la propria lunghezza ben 100.000 miliardi di volte.
Da questo punto di vista si può concludere che il mesone è sicuramente più stabile della nostra automobile che dura solo qualche anno!
Possiamo ritenere, dunque, il mesone una particella stabile.Per convenzione, da un punto di vista fisico si ritiene instabile una particella che viva per un tempo inferiore a 10^-18 s.

Il concetto di vita media di una particella risulta molto più chiaro quando si considerano i fenomeni di radioattività naturale, dove la vita media di un elemento è legata al tempo di dimezzamento, tempo durante il quale un numero di atomi radioattivi decadendo si riduce alla metà del numero iniziale.
Per capire cosa succede, possiamo pensare ad una vasca di un acquario con 16 pesciolini gialli. Con questi 16 pesciolini vogliamo descrivere il decadimento radioattivo del Fermio 256, dove i 16 animaletti rappresentano i 16 nuclei dell’isotopo che ha un tempo di dimezzamento di tre ore. Il decadimento consiste nel cambiamento di colore dei pesciolini da gialli a rossi.
L’esperimento inizia alla mezzanotte. Dentro il nostro acquario ci sono 16 pesciolini tutti gialli.
Se andiamo a contare il numero di pesciolini gialli che non si sono ancora trasformati in pesciolini rossi alle ore tre del mattino, osserviamo il primo dimezzamento: dentro la vasca ci sono 8 pesciolini gialli e 8 pesciolini rossi.
Alle ore sei del mattino si assiste al secondo dimezzamento: i pesciolini gialli sono rimasti solo in quattro.
Alle ore nove si registra il terzo decadimento: i pesciolini gialli sono rimasti in due, tutti gli altri sono rossi.
Infine, se andiamo a vedere l’acquario a mezzogiorno, osserviamo che un solo pesciolino giallo è rimasto nella vasca, tutti gli altri sono diventati rossi.

 

Andamento del decadimento. La formula è data da:


 

Anche qui i tempi di dimezzamento possono essere estremamente grandi, fino all’ordine di miliardi di anni, mentre quelli più brevi si aggirano intorno a qualche decimilionesimo di secondo. Consideriamo, per esempio, un isotopo dell’uranio U238 che vive per 4,5 miliardi di anni. Questo significa che gli atomi di un certo campione dopo 4,5 miliardi di anni saranno decaduti del 50%, e si saranno trasformati in atomi di un altro elemento e con un numero di massa inferiore, ossia in Torio Th 238.

“L’uomo che osa sprecare anche un’ora del suo tempo non ha scoperto il valore della vita.”
Charles Darwin

Pubblicato sul sito “Storie di Scienza” di Giovanni Boaga in occasione del “XX Carnevale della Scienza”: http://giovanniboaga.blogspot.com/

Sito Web del Carnevale della Fisica: http://carnevaledellafisica.ning.com/

Altre informazioni su: http://carnevaledellafisica.ning.com/profiles/blogs/il-carnevale-della-fisica

Ringrazio di cuore Giovanni Boaga per questa opportunità meravigliosa.

Sabrina

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