L'ORIGINE DEGLI ELEMENTI I QUARK E L'ORIGINE DEGLI ELEMENTI

INDICE L’origine degli elementi dell’universo I quark Ciclo del carbonio Produzione dell’ossigeno Siti consultati

L’ORIGINE DEGLI ELEMENTI NELL 'UNIVERSO Idrogeno ed elio formano da soli circa il 98% (in peso) dell'universo esplorato. Questi elementi insieme a piccole quantità di litio si sono formati nel Big Bang, il processo da cui si è formato l'Universo qualche decina di miliardi di anni addietro. Idrogeno, elio e litio sono, nell'ordine, i primi elementi più semplici e più leggeri fra i 111 conosciuti. Gli altri elementi più pesanti si sono formati nei processi di fusione nucleare che avvengono nelle stelle. L'energia necessaria per innescare i processi di fusione nucleare è prodotta nel processo di compressione della materia gassosa che costituisce le stelle, compressione provocata dalla gravità.

Nelle stelle primitive che hanno massa sufficientemente grande (l'ordine di grandezza è quella del nostro sole) questa compressione gravitazionale libera calore in quantità tale (si raggiungono temperature dell'ordine di 107 K) da innescare reazioni di fissione di atomi di idrogeno  1H + 1H  2H + B+ + v + y 2H + 1 H  3He + y 3He + 3He  4He + 21 H + y (B+, v e y sono, nell'ordine i simboli de positroni, neutrini e raggi gamma)  In questi processi di fusione si libera energia; il calore sviluppato mantiene la pressione dei gas intorno al nucleo centrale della stella (core) a valori tali da bilanciare l'attrazione gravitazionale, fintanto che nel core c'è idrogeno da fondere. Questo è il processo col quale il nostro sole produce energia; si pensa che esso sia a metà della sua vita. Quando una stella ha consumato tutto l'idrogeno, l'attrazione gravitazionale ha di nuovo il sopravvento e il gas contraendosi provoca un aumento della temperatura del core della stella che innesca la fusione di atomi di elio con formazione di atomi più pesanti  3He  12C + y 12C + 4He  160 + y

In tutti questi processi massa di materia è convertita in energia In tutti questi processi massa di materia è convertita in energia. Mano a mano che si esaurisce il combustibile, la gravità fa aumentare la temperatura del nucleo della stella e fa accendere nuove reazioni di fissione che producono atomi sempre più pesanti. Siccome la gravità dipende dalla massa della stella, solo nelle stelle più grandi (le cosiddette stelle giganti rosse) la gravità è sufficientemente grande da fondere elementi pesanti. Questo non avviene nel sole e nelle altre stelle di massa comparabile dove non si va oltre la formazione di atomi di carbonio e di ossigeno (le cosiddette stelle nane bianche). Nelle stelle grandi almeno 10 volte il nostro sole la temperatura del nucleo centrale ha un ordine di grandezza di 109 K. A queste temperature avviene la fusione anche di atomi di ferro (e di altri atomi di massa comparabile) che hanno la maggiore energia media di legame per nucleone. Siccome in questo processo si formano nuclei di atomi più pesanti e meno stabili del ferro e quindi si assorbe energia, la temperatura inizialmente diminuisce e per effetto della gravità si ha una contrazione di tutta la materia stellare (è il cosiddetto collasso gravitazionale di una stella).

Lo scontro degli atomi in questa fase di contrazione provoca la fusione di altri atomi (oltre a quelli di ferro) e la formazione di neutroni che si combinano con i nuclei presenti formando i vari isotopi di tutti gli elementi che noi conosciamo: tutti questi processi avvengono in meno di un secondo e terminano con una esplosione che scaglia nello spazio tutta la materia prodotta durante il collasso gravitazionale. Questa è una supernova ed in questo processo libera tanta energia da superare quella complessiva di una galassia che contiene miliardi di stelle.   La materia scagliata nello spazio nel collasso gravitazionale di una supernova e quella prodotta dalle stelle giganti e dispersa dai venti solari formano le nebulose la cui condensazione per effetto della gravità forma nuove stelle e pianeti. In questo modo si è formato anche il sistema solare e la terra.

I quark A differenza dei leptoni (e quindi dell'elettrone) che sono particelle elementari, gli adroni possiedono una struttura interna, o meglio sono composti di particelle ancora più piccole, i quark. Fino ad oggi sono stati osservati sei quark e le relative sei antiparticelle, gli antiquark e sembra molto improbabile l'esistenza di altri. In nome quark è l'abbreviazione di qu(estion) (m)ark, "punto interrogativo", termine tratto, senza un preciso significato, da un passo del romanzo di J.Joyce "Finnigans Wake", del 1939.  Le leggi che regolano l'aggregazione e l'interazione dei quark nei processi forti sono quelle della Cromodinamica Quantistica; la particella che propaga I'interazione è il gluone (per le interazioni elettromagnetiche è il fotone).

Elenchiamo adesso alcune proprietà dei quark: Al di là di alcuni nomi inusuali per la fisica, come "incanto" e "bellezza", notiamo alcune cose molto importanti: in primo luogo che i quark hanno carica non intera, mentre sappiamo che ogni particella deve avere carica elettrica multipla intera della carica elementare e. Questo che cosa significa? Significa che in natura non ci possono essere quark isolati, ma devono essere uniti fra loro. Questa proprietà è chiamata "schiavitù asintotica". La QCD (Quantum CromoDinamic, nome inglese della Cromodinamica Quantistica) ci insegna che esistono solo due modi in cui i quark (e/o gli antiquark) si possono unire:

e sono detti mesoni.  ·    in gruppi di tre quark ( o tre antiquark), ad esempio: ud (carica Q = 0) o ud (carica Q = e) e sono detti barioni. La diversa composizione delle due famiglie di adroni implica, ovviamente, che i diversi componenti hanno proprietà fisiche diverse. Sulla base delle proprietà, si usa raggruppare i quark in famiglie secondo lo schema: u c t d s b   L'interazione tra queste 6 particelle (e/o sei antiparticelle), secondo lo schema della QCD, dà origine all'infinità di adroni oggi solo in parte investigata.

Ciclo del Carbonio   Il carbonio è l’elemento chimico tipico della materia vivente, della quale si può dire che costituisca lo scheletro. Il carbonio infatti insieme ad altri elementi entra a far parte delle proteine e degli acidi nucleici che sono l'essenza di questa materia ed entra nella costituzione degli zuccheri e dei grassi, che sono composti di fondamentale importanza nel metabolismo cellulare. In natura il carbonio è presente in larghissima quantità sotto forma dì carbonati netta litosfera, per la maggior parte sotto forma di bicarbonati nella idrosfera, e di anidride carbonica nell'atmosfera. Rispetto agli altri gas dell'aria l'anidride carbonica si trova nell'atmosfera in concentrazione quanto mai ridotta, appena dello 0,03% in media.

Le piante non sono in grado di utilizzare per la loro nutrizione i carbonati del terreno, ma utilizzano unicamente il carbonio che si trova sotto forma di CO2 nell'aria o disciolta nell'acqua. La CO2 presente nell’aria o nell'acqua è trasformata ad opera degli organismi autotrofi per via fotosintetica o chemiosintetica, in composti organici- tipicamente zuccheri-e successivamente in altri composti derivati che entrano a far parte della sostanza vivente o che costituiscono le varie sostanze di riserva. Le sostanze organicate dalle piante sono utilizzate a loro volta, come alimenti, dagli animali e da tutti gli altri organismi eterotrofì.

Produzione di ossigeno (02) e azoto (N1)  Dall'aria che respiriamo, che è composta da: si estraggono, per distillazione frazionata, l'ossigeno e I'azoto. Un ciclo di produzione dell'ossigeno e dell'azoto comporta le fasi seguenti:  Ä     compressore dell'aria; Ä     depurazione dell'aria (essiccamento e decarbonatazione); Ä     distillazione frazionata dell'aria; Ä     liquefazione e stoccaggio del prodotto finito nei serbatoi; Ä     sistema di controllo ed analisi.

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Glossario Positroni = particella elementare, detta anche antielettrone di massa eguale a quella dell’elettrone e di carica eguale ma positiva, esso è l’antiparticella dell’elettrone, la sua scoperta (1932) si deve a C.D. Anderson.  Neutrini = particella fondamentale (simbolo v) di massa nulla, sinora non misurata. Ipotizzata da W. Pauli nel 1931, sulla sua esistenza fu basata la teoria delle interazioni deboli di E. Fermi. E’ membro della famiglia dei leptoni, comprendente tre tipi di particelle (elettrone, muone, tau) a ciascuna delle quali è associato un tipo diverso di nutrini.  Fotone = quantità invisibile di energia elettromagnetica. Il fotone introdotto da Einstein (1905) per spiegare l’effetto fotoelettronico, ha un’energia pari a E=hv, dove h è la costante di Planck, v è la frequenza della radiazione.

Glossario Gluone: particella subnucleare che si ritiene responsabile dell’interazioni forti fra i quark. Mesoni: particelle subnucleari con massa non nulla e con spin intero.   Barioni: particelle subnucleari di spin semintero soggette ad interazioni forti.