La materia è fatta di atomi. L’atomo è la parte più piccola della materia che mantiene le proprietà: possiamo dividere in parti piccole quanto vogliamo una barra di rame (simbolo chimico Cu – dal latino cuprum, da Cyprium, l’isola di Cipro da dove si estraeva il rame), ma il rame resterà tale anche se riuscissimo a dividerlo in atomi. Appunto, gli atomi sono la particella più piccola che conserva le proprietà della materia.
Ma cosa fa del rame il rame? E del ferro il ferro, dell’ossigeno l’ossigeno e così via? La risposta è nel nucleo degli atomi. L’atomo è divisibile, si sa ormai da tempo. Al suo nucleo troviamo particelle note come protoni e neutroni; tutto intorno al nucleo girano all’impazzata particelle molto più piccole chiamate elettroni. I protoni hanno una carica elettrica, la più piccola carica possibile ed immaginabile. Lo stesso vale per gli elettroni, ma la loro carica è opposta a quella dei protoni. Si è scelto di chiamare i protoni cariche positive, gli elettroni cariche negative.
Ma cosa è una carica? La risposta è più semplice se rispondiamo prima alla domanda: cosa è una massa? La prima cosa che viene in mente è la quantità di materia. Non è strettamente necessario ma va bene per quello che ci serve. Una massa è una qualunque cosa che sia influenzata da un campo gravitazionale. Un campo è una porzione di spazio in cui agiscono delle forze. Le forze sono qualcosa in grado di cambiare lo stato di moto di un corpo. Il campo gravitazionale è una porzione di spazio in cui agiscono forze gravitazionali in grado di cambiare lo stato di moto delle masse. La mela che cade dall’albero lo fa perché il campo gravitazionale della Terra la porta verso il suo centro. Quindi la mela ha una massa, è una massa. Ha anche un campo gravitazionale attorno a sé proprio perché è una massa. La cosa fece venire molte idee a riguardo ad Isaac Newton (ancora prima a Galileo Galilei). Ma se, idealmente, due mele si “incontrassero” nello spazio profondo si attrarrebbero l’un l’altra, essendo masse più o meno uguali. Ma non finirebbero per scontrarsi: si metterebbero a girare attorno al punto che sarebbe il baricentro (centro di massa) del sistema tra loro formato. Così fanno le stelle doppie. Se una è una massa un po’ più grande, il baricentro sarà più vicino a lei; quindi la più grande farà un orbita più piccola e la più piccola percorrerà un’orbita piu grande. La massa del Sole è immensamente più grande di quella dei pianeti. Quindi il centro del sole fa un giretto molto piccolo attorno al baricentro del sistema solare; i pianeti invece devono fare una gran fatica a girare lungo orbite ben più lunghe attorno allo stesso baricentro. Alla fine non è la Terra che gira attorno al Sole, né il Sole attorno alla Terra: girano entrambi attorno al baricentro del sistema solare…
Tutto questo discorso può essere riportato alle cariche: un campo elettrico è una porzione di spazio in cui agiscono forze elettriche in grado di cambiare lo stato di moto delle cariche. La differenza è che le forze gravitazionali sono sempre attrattive; quelle elettriche sono sia attrattive che repulsive, dato che cariche di segno opposto si attraggono e cariche di segno uguale si respingono.
Tornando all’atomo, se potessimo vederlo ci apparirebbe come una nube tremolante. E’ la nube elettronica scientificamente nota come “orbitale”. Si, perché con gli elettroni non si può parlare di orbite vere e proprie: sono così piccoli e veloci che non riusciremmo a vederli, a coglierli. Anche l’unico elettrone attorno al nucleo dell’idrogeno (simbolo chimico H) ce lo celerebbe alla vista girandogli all’impazzata attorno, ad una velocità prossima a quella della luce, disegnando una nube sferica ai nostri lenti occhi. In pratica l’elettrone “vibra” attorno al nucleo. Atomi più complessi hanno orbitali più complessi, genericamente le “nubi” apparirebbero come lobi allungati, di diverso numero e grandezza.
Ma dentro cosa c’è? Abbiamo detto il nucleo, composto da protoni e neutroni. Entrambi hanno una massa gigantesca rispetto ai minutissimi elettroni, quasi 2000 volte più grande! I protoni, tutte cariche positive, sono quindi ammassati nel nucleo. I neutroni, composti dall’unione di un protone ed un elettrone, sono per questo a carica neutra. Come mai riescono a stare tutti assieme, visto che hanno tutti cariche uguali e dovrebbero respingersi? Il fatto è che a distanze davvero piccolissime entrano in gioco delle potentissime forze nucleari, che hanno il sopravvento sulle forze di repulsione elettriche e legano tra loro i protoni ed i neutroni dei nuclei atomici. Si tratta dell'”interazione nucleare forte” che tiene insieme i nuclei atomici nonostante le cariche positive si respingerebbero. In atomi con moltissimi protoni la cosa diventa infatti difficile ed alcuni protoni vengono respinti, sparati lontano dai nuclei assieme all’emissione di energia ad altissima frequenza, detta raggi gamma: la chiamiamo radioattività.
Il numero di protoni in un nucleo stabilisce le proprietà dell’elemento così formato. L’idrogeno è il più piccolo, ha un solo protone. L’idrogeno ha le sue proprietà caratteristiche perché ha solo quel protone. L’elio (He) è diverso perché ne ha due, il litio ne ha tre ed ha caratteristiche diverse dagli altri. L’ossigeno si comporta così perché ha 8 protoni, se ne avesse 9 sarebbe fluoro, se ne avesse 7 sarebbe azoto. Il rame di cui parlavamo ne ha 29, il ferro (Fe) 26, l’oro (Au) arriva a 79; l’uranio (U) a 92, che assieme ai neutroni arriva a 238! Troppi, infatti è radioattivo: perde protoni, non riesce a tenerli. Ogni atomo di uranio prima o poi “molla” due protoni e si trasforma in Torio che nel nucleo ne ha 90 ed è più stabile. Se ci immaginassimo degli dèi, potremmo costruire tutti gli elementi esistenti giocando con i protoni, mettendoli assieme a formare nuclei. Unendo due protoni, cioè due nuclei di idrogeno, otterremmo elio; unendo due nuclei di elio faremmo il berillio, unendo due nuclei di berillio faremmo l’ossigeno, e così via. Ma non potremmo evitare di notare una grossa esplosione di energia ad ogni “unione”. Perché?
Due protoni sono due cariche positive che si respingono. Non è facile farle entrare in contatto, ci vuole tanta energia (avete mai provato a mettere in contatto due poli uguali di due calamite?). Se però fossimo in grado di farli arrivare, non dico in contatto, ma così vicini da far entrare in gioco le forze nucleari, ecco che i due protoni d’un tratto si attrarrebbero enormemente, legandosi con forza. Questa sorta di “rottura” delle forze elettriche repulsive genera energia. E i due protoni uniti però avrebbero una massa inferiore alla somma di due masse di due protoni separati. Insomma, il nucleo di elio (due protoni) non pesa il doppio di un nucleo di idrogeno: c’è un difetto di massa dopo l’unione (fusione nucleare) di due protoni. Quello che manca si è trasformato in energia secondo la formula di Einstein E=mc2. E’ un’enorme quantità di energia visto che la pur piccola differenza di massa va moltiplicata per il quadrato della velocità della luce (c), ossia per circa 90 miliardi! Accade nelle stelle, che generano elio fondendo nuclei di idrogeno. E’ la fusione nucleare, che non genera scorie radioattive come la fissione, che divide atomi di uranio per ottenere energia, ma non tutti, lasciando comunque del materiale che contiene ancora dell’uranio che continua a sparare in giro coppie di protoni ad altissima velocità e raggi gamma che, infrangendosi contro i reticoli delle molecole delle nostre cellule, le danneggiano provocando tumori. Il problema è: chi me la dà l’energia necessaria a far toccare due protoni? E’ un gatto che si morde la coda, un problema non ancora risolto…