0387. Come fanno due protoni, in uno stesso nucleo atomico, a stare insieme?

Come fanno due protoni, in uno stesso nucleo atomico, a stare insieme? Quali forze atomiche tengono insieme le diverse particelle del nucleo atomico? Essi sono tenuti insieme per caso dalla forza forte della particella glue, secondo il Modello Standard della struttura della materia, oppure si può dire che la presenza dei neutroni, interposti tra i protoni, scherma la forza di repulsione dei protoni? Potrebbe chiarire le mie idee? (Saverio Debernardis) (2238_3217_5577).

Gli atomi sono costituiti da nuclei con carica elettrica positiva e da elettroni con carica elettrica negativa, sono neutri e quindi le due cariche sono uguali e opposte . Tra nuclei ed elettroni agisce la forza elettrica attrattiva e quindi l’atomo è stabile ed è caratterizzato da un’ energia di legame pari all’energia che occorre per separare gli elettroni dal nucleo. E tutto questo è noto da circa 100 anni. Nel 1932 furono fatte due importanti scoperte: il neutrone (che fruttò il premio Nobel a James Chadwick ) e il nucleo di deuterio , un isotopo dell’idrogeno composto da un protone e da un neutrone (che fruttò il premio Nobel a Harold Urey ). La massa del neutrone è approssimativamente uguale alla massa del protone e la massa del deuterio è approssimativamente uguale a due volte quella dell’idrogeno. Da allora sappiamo che i nuclei atomici sono formati da protoni e da neutroni e sono caratterizzati da due quantità: il numero atomico Z è il numero di protoni (e di elettroni) e definisce la posizione dell’atomo nella tavola periodica di Mendeleev, il peso atomico A è pari alla somma del numero di protoni e di neutroni ed è proporzionale alla massa nel nucleo. Tra i protoni dei nuclei agisce la forza di repulsione elettrica, quindi se un nucleo è stabile, deve esserci una forza di attrazione nucleare maggiore della forza di repulsione elettrica, e in effetti sappiamo che è molto maggiore. Ma anche il nucleo di deuterio, formato solo da un protone e da un neutrone, è stabile e quindi tra i due c’è una forza attrattiva. E se si considerano nuclei più pesanti si conclude che la forza che agisce tra due protoni, è pari a quella che agisce tra due neutroni, oppure tra un protone e un neutrone e che questa forza è attrattiva. Conviene parlare di energia di legame, che è la quantità che effettivamente si misura, piuttosto che di forza. L’energia di legame di un nucleo è l’energia che occorre fornire per dissociarlo nei suoi costituenti, protoni e neutroni. E si osserva che sia l’energia di legame che il volume del nucleo è proporzionale al numero atomico A, cioè alla somma di protoni e neutroni, quindi l’ energia di legame di ogni nucleone è circa costante, indipendentemente dal nucleo in cui è legato.

Curva dell’ energia di legame per nucleone in funzione del peso atomico. Ogni nucleone è legato all’ incirca con la stessa energia ~ 8 Mev. L’ energia di legame maggiore corrisponde a nuclei più stabili, e poiché i nuclei più pesanti hanno i loro nucleoni leggermente meno legati di quelli leggeri, i nuclei più pesanti possono essere instabili e decadere in frammenti più stabili.

Da questo derivano due conclusioni: la forza nucleare agisce solo tra protoni e neutroni vicini (altrimenti l’energia di legame sarebbe proporzionale a A(A-1)/2 che è il numero di possibili scambi di forza tra A costituenti, come nel caso delle partite in un torneo tra A squadre in cui nessuna gioca con se stessa); i protoni e neutroni risultano incollati a formare una struttura approssimativamente sferica e ne occupano tutto il volume. Altra importante osservazione è che l’energia che si ottiene con reazioni nucleari di fissione (come in un reattore ) oppure di fusione [279](come nel Sole) è circa un milione di volte maggiore di quella che si ottiene con reazioni chimiche bruciando una quantità confrontabile di combustibile, quindi l’energia di interazione nucleare è molto più intensa dell’energia di interazione elettrica.

Quindi riassumendo: due protoni sono legati dalla forza attrattiva nucleare; questa è di natura diversa e molto più intensa della forza di repulsione elettrica; i neutroni non schermano la forza elettrica ma sono legati anch’essi dalla forza nucleare con la stessa intensità dei protoni; il Modello Standard delle interazioni fondamentali interpreta questi fenomeni assegnando a protoni e neutroni una carica nucleare (diversa dalla carica elettrica); ai quanti della forza che agisce tra li nucleoni, che è intensa solo a brevissima distanza e tiene i costituenti incollati tra loro, è stato dato il nome di gluoni , poiche glue è colla in inglese.

Filippo Ceradini - Fisico