Marzo 2014 Proff. : Ricco e Parravicini LA MATERIA Marzo 2014 Proff. : Ricco e Parravicini

occupa uno spazio e ha una massa. La materia (dal latino mater = madre) è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa. La materia è formata da sostanze diverse

sia capace di esistenza indipendente. In una sostanza la molecola è la più piccola unità che, conservando le caratteristiche chimiche della sostanza stessa, sia capace di esistenza indipendente. acqua ozono ossigeno azoto anidride carbonica

Le sostanze possono essere: semplici composte e se costituite da atomi uguali se costituite da atomi di natura diversa

Ad esempio:O2 (molecola del gas ossigeno). Le molecole delle sostanze semplici (elementi) sono formate da due o più atomi uguali legati tra loro. Ad esempio:O2 (molecola del gas ossigeno). Atomo di ossigeno Atomo di ossigeno Molecola del gas ossigeno

Le molecole delle sostanze composte sono formate da due o più atomi di elementi diversi legati tra loro. Ad esempio:CO2 (molecola dell'anidride carbonica) Atomo carbonio Molecola di anidride carbonica Molecola composta Atomi ossigeno

Tavola periodica degli elementi L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso. Tavola periodica degli elementi

L'atomo è formato da elettroni che si muovono attorno a un nucleo composto (in uno schema molto semplificato) da protoni e neutroni.  neutroni protoni elettroni

Gli elettroni occupano strati (gusci) via via più grandi a partire da quello più interno. 3^ strato completo 8 elettroni 1^ strato completo 2 elettroni 2^ strato completo 8 elettroni

Schema semplificato di alcuni atomi 2 elettroni 8 elettroni 17 elettroni

Il numero dei protoni presenti in un atomo viene detto numero atomico (z) e contrassegna l’identità di un atomo. In un atomo nr dei protoni = nr degli elettroni Gli elettroni (indicati con punti rossi) nel guscio più esterno di un atomo sono quelli che interagiscono più facilmente con gli altri atomi e quindi giocano un ruolo maggiore nel comportamento chimico dell’elemento.

Come leggere la tabella periodica degli elementi Numero atomico Simbolo elemento Peso atomico Nome elemento P = peso atomico (massa atomica relativa di un elemento esprime quante volte l’atomo di questo elemento pesa di più della dodicesima parte dell’atomo di carbonio) Il peso atomico (P) viene riportato sotto al simbolo chimico dell'elemento z = numero atomico = numero protoni il numero atomico (z) viene evidenziato a destra, in alto, del simbolo dell'elemento

+ NUMERO DI MASSA NUMERO DEI NEUTRONI NUMERI DEI PROTONI C’è poi il numero di massa di un atomo che si riferisce al numero di particelle complessive contenute nel nucleo di un atomo e si ottiene: NUMERO DI MASSA + NUMERI DEI PROTONI NUMERO DEI NEUTRONI

Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento chimico hanno: lo stesso numero atomico (numero di protoni) Z ma : differente numero di massa (numero protoni + numero neutroni) A 1 protone 1 protone 1 netrone 1 protone 2 neutroni Z = 1 A = 1 Z = 1 A = 2 Z = 1 A = 3 16

Gli isotopi del carbonio Altro esempio 6 protoni 6 neutroni 6 protoni 8 neutroni 6 protoni 7 neutroni Carbonio12 (6P + 6N) Numero di massa 12 Carbonio 13 (6P +7 N) Numero di massa 13 Carbonio 14 (6P + 8N) Numero di massa 14 Gli isotopi del carbonio

In natura esistono altri tipi di particelle elementari per esempio quelle presenti nei raggi cosmici. Si tratta di flussi di particelle ad alta energia provenienti dallo spazio, quasi tutte dotate di carica elettrica.

Sono costituiti per lo più da ioni di elementi leggeri (idrogeno, deuterio, elio, litio, ecc..) ed elettroni, che si muovono a velocità altissime, prossime a quella della luce.

Quando il flusso continuo di raggi cosmici raggiunge la nostra atmosfera da tutte le direzioni dello spazio, le particelle si moltiplicano in una cascata di interazioni successive, creando un'invisibile "pioggia cosmica" Questi raggi, urtando le particelle dell'atmosfera, le spezzano in altre più piccole, dette muoni e pioni

La pioggia cosmica colpisce continuamente ciascuno di noi alla frequenza di circa 4000 particelle cariche al minuto per centimetro quadrato.

Altri particolari raggi cosmici, come i neutrini , interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia  sono particelle prive di carica elettrica e con una massa estremamente piccola (che non si è ancora riusciti a misurare).  In ogni secondo ogni oggetto sulla Terra (compresi noi stessi) è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi neutrini viene catturato: per dare un'idea in media soltanto un neutrino all'anno interagisce con il corpo di una persona!

I neutrini sono le particelle più abbondanti dell’universo

Studiare raggi e particelle ad energie irraggiungibili negli acceleratori qui sulla Terra consente di ottenere preziose indicazioni sulle prime fasi di evoluzione dell'Universo. Rivelatori vengono installati all’interno di navi spaziali, capaci di analizzare i raggi cosmici nello spazio. Altre particelle raggiungono il suolo e possono essere catturate da rivelatori posti sulla superficie terrestre. Altre particelle ancora penetrano dentro la Terra e vengono intrappolate da dispositivi sotterranei, come il CERN del Gran Sasso, o posti sul fondo del mare.

In tutti questi anni sono state scoperte tante particelle ed è stata elaborata una teoria, chiamata “modello standard”, che è in grado di descrivere sia la materia che tutte le forze dell’universo (tranne la gravità). Il modello prevede due tipi di particelle: particelle materiali, cioè che compongono la materia come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark particelle mediatrici di forza, cioè che la tengono insieme

è una proprietà importantissima! Le particelle materiali fondamentali, quark e leptoni, come anche la maggior parte delle particelle composte (come protoni e neutroni) non possono coesistere nello stesso luogo. Questa, per la materia in condizioni ordinarie, è una proprietà importantissima!

In totale si conoscono 12 particelle mediatrici di forza che permettono loro di interagire gli uni con gli altri 12 tipi di particelle materiali  (6 quark e 6 leptoni) A cui si è aggiunta la 13^ particella

Tutte le interazioni* sono dovute al fatto che le particelle materiali si scambiano tra loro le particelle mediatrici di forza chiamate bosoni, come se giocassero a palla! *processi mediante i quali due o più sistemi, o corpi, o particelle agiscono l’uno sull’altro con conseguenti modificazioni reciproche del loro stato e della loro energia

Le particelle interagiscono tra di loro mediante quattro interazioni fondamentali: elettromagnetismo interazione forte gravità interazione debole

tra le più note i protoni e i neutroni I quark sono una delle due famiglie di particelle subatomiche, che si ritiene siano fondamentali e indivisibili. In natura i quark non si trovano mai isolati, ma formano particelle composte dette adroni ; tra le più note i protoni e i neutroni Un neutrone, composto di un quark up e due quark down Un protone, composto di due quark up e un quark down Sono influenzate dall'interazione forte

I leptoni sono tra le particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali). Un leptone (dal greco lepton, luce) è una particella subatomica che non è composta da quark. I leptoni sono: gli elettroni, i muoni, le particelle tau, i loro rispettivi neutrini (particelle tra le più leggere). Sono particelle non influenzate dalla forza forte. 

L’immensa varietà di fenomeni che avvengono attorno a noi può essere descritta basandosi solo su 4 interazioni fondamentali , che dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le diverse parti dell'Universo.

il range o raggio d' azione e l’intensità. Descrivendo un’interazione è importante definire due quantità: il range o raggio d' azione e l’intensità. Il range di un’interazione è la distanza massima in cui questa è influente. L’intensità delle interazioni fornisce i rapporti di forza tra le diverse interazioni. Le forze sono «mediate» da particelle ( i bosoni intermedi o "quanti di energia") che sono diverse da quelle che compongono la materia, esistono per un tempo brevissimo, il tempo necessario per trasmettere l’informazione da una particella di materia all’altra.

Quindi ci sarà una particella responsabile di ogni interazione: per la gravità c’è il gravitone  che è una forza molto debole a tutti  familiare; per l’elettromagnetismo c’è il fotone  che oppone resistenza allo spostamento degli atomi, tra due cariche elettriche si manifesta: o tra due poli magnetici

g per l’interazione forte c’è il gluone (dall’inglese glue“colla”) è talmente forte da riuscire a tenere uniti i quark l’uno con l’altro  per l’interazione debole ci sono i bosoni W e Z   sono responsabili del decadimento dei quark e dei leptoni che hanno massa maggiore, in quark e leptoni più leggeri  (la materia stabile dell’universo infatti è composta solo dai due quark più leggeri di tutti, cioè il quark up e il quark down e dal leptone più leggero cioè l’elettrone!).

Interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e molecolare, delle reazioni chimiche e di tutte le forze (escluse quelle gravitazionali) che osserviamo nel nostro mondo (come, ad esempio, le forze magnetiche). Si manifesta tra tutte le particelle elettricamente cariche ed ha come bosone intermedio il fotone. Ha raggio d’azione infinito Inoltre l‘intensità diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro. Due calamite che si attraggono, lo fanno scambiando una grande quantità di particelle chiamate fotoni

Forza gravitazionale Interazione tra due pianeti o che ci tiene sulla terra per effetto del campo gravitazionale: quella che ci tiene incollati alla sedia, che fa cadere le mele, lega  la Luna alla Terra. l’interazione gravitazionale ha un raggio d’azione infinito; per questa caratteristica il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi. I fisici ritengono il gravitone responsabile della mediazione della forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia stata ancora confermata sperimentalmente.

……..sebbene più nascosta, è indispensabile per la nostra vita… Interazione forte Indipendente dalla carica elettrica, è la forza responsabile dell’esistenza stessa dei nuclei, che in assenza di tale forza, a causa della presenza di cariche tutte positive, tenderebbero a frantumarsi . Le interazioni forti hanno: raggio di azione pari a circa le dimensioni del nucleo (un adrone che passi oltre questa distanza subirà un’interazione con il nucleo trascurabili). intensità superiore tra le quattro interazioni. gluoni sono i bosoni intermedi delle interazioni …..vera e propria colla tra protoni e neutroni all’interno del nucleo e dei quark all’interno degli adroni… ……..sebbene più nascosta, è indispensabile per la nostra vita…

    La forza debole L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Trasforma particelle e atomi da un tipo ad un altro, come accade nelle reazioni nucleari che alimentano il Sole  La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quoditiana. ..è l'unica che in un certo senso non "lega" niente! Al limite divide: è infatti responsabile dei decadimenti delle particelle. Messaggeri di quest’interazione sono i bosoni carichi W+ e W- e il bosone neutro Z0. Che trasportano la forza nucleare debole. 41

La forza debole Si manifesta tra tutte le particelle, leptoni e quarks. Il raggio d'azione è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra. L'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola, tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi molto rari.

neutrone composto di due quark down e un quark up  un quark down interagisce con il campo dell'interazione debole ed emette il mediatore di quel campo, il bosone intermedio W, trasformandosi in un quark up. Esempio di decadimento di particelle neutrone composto di due quark down e un quark up il neutrone iniziale è ora diventato un protone  il bosone W decade in un elettrone (carica elettrica -1) e in un anti-neutrino privo di carica elettrica. Anche in questo passaggio la carica elettrica è conservata. nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone

Nel 1984 Carlo Rubbia fu insignito del Nobel Il lavoro scientifico che gli è valso il Nobel, è la scoperta, nel 1983, delle particelle responsabili dell'interazione debole, una delle forze fondamentali nell'universo, ossia i bosoni vettoriali W+, W- e Z. 

BUON STUDIO ……….