(Q-8) L'effetto "tunnel" in meccanica quantisticaLa differenza tra la "nuova" e la "vecchia" meccanica può essere chiarita con un esempio: il modo con cui George Gamow nel 1928 spiegò la radioattività alfa come è descritto nella sezione (S-7) del sito "Dagli astronomi..." e in più dettaglio nella sezione (S-8) dello stesso sito, i nuclei degli atomi sono sottoposti a forze opposte: l'interazione nucleare forte che tiene insieme le sue particelle deve contrastare la repulsione elettrica tra i protoni positivi che si trovano nel nucleo e che tendono a spezzarlo. La forza nucleare predomina a brevi distanze, e questo è il motivo per cui i nuclei esistono, ma poi questa forza decresce rapidamente con la distanza, dove poi prende il sopravvento la repulsione elettrica.
Consideriamo un protone all'interno di un nucleo. Se qualche causa lo allontana di poco, la forza nucleare lo attrae all'indietro, ma se il protone si allontana abbastanza, la repulsione elettrica lo spinge via, in modo che non possa più ritornare. Un esempio è costituito dalla fissione nucleare, che è possibile nei nuclei pesanti del plutonio o dell'uranio 235. Il loro nucleo contiene così tanti protoni i quali tendono ad allontanarsi tra loro (per la loro repulsione elettrica), che aggiungendo appena una modesta quantità di energia -- ceduta da un neutrone addizionale lanciato sul nucleo -- l'intero nucleo si spezza in due frammenti carichi positivamente. Questi si separano abbastanza da non tornare mai più indietro -- al contrario, la repulsione elettrica li spinge ancor più ad allontanarsi tra loro, liberando una grande quantità di energia.
Tali nuclei, ed altri nuclei pesanti con masse simili, sono tutti sull'orlo della instabilità e, anche senza alcuna energia fornita dall'esterno, trovano il modo di sbarazzarsi di parte della loro distruttiva carica positiva. Le forze sui protoni all'interno di questi nuclei rassomigliano a quelle che agiscono su un mucchio di biglie all'interno di un "cratere" con la superficie a forma di vulcano -- con le pareti esterne degradanti dolcemente, ma con un cratere abbastanza profondo nel mezzo (ved. disegno). Il profilo della "montagna" può essere visto come la rappresentazione della forza totale che agisce sui protoni del nucleo. All'interno del cratere predomina l'attrazione, che tiene insieme i protoni, mentre all'esterno è la repulsione che predomina, spingendoli al allontanarsi. Analogamente alle biglie all'interno del cratere, se una biglia in qualche modo raggiunge l'esterno -- diciamo scavando un tunnel attraverso la parete del cratere -- la repulsione la fa rotolare via liberando energia. La meccanica newtoniana non è in grado di fornire tali tunnel: il protone è imprigionato all'interno del cratere per tutta l'eternità. Invece, secondo la meccanica quantistica, la posizione del protone è determinata da una funzione d'onda distribuita. Quest'onda ha il suo massimo all'interno del "cratere" del nucleo e, se il protone si materializza lì, rimane intrappolato (il "se" che abbiamo usato qui aiuta a immaginare il processo; in meccanica quantistica, se un processo -- come questa materializzazione -- non è osservabile, è la stessa cosa che dire che non esiste). Tuttavia le frange esterne dell'onda si estendono su grandi distanze, e la funzione d'onda ha sempre una intensità finita (anche se molto piccola) al di là del cratere, lasciando una probabilità finita al protone di materializzarsi all'esterno e quindi di sfuggire. È come se le leggi quantistiche gli dessero una piccola possibilità di passare attraverso un "tunnel" al di là della barriera e di scivolare all'esterno. ConclusioniLo studio dei raggi gamma emessi dai nuclei radioattivi suggerisce che anche i nuclei hanno dei livelli energetici. Tuttavia, usare la meccanica quantistica per calcolare tali livelli è molto più difficoltoso in questo caso, poiché le particelle nucleari sono legate molto più strettamente, e le forze nucleari sono più complicate. Comunque, almeno in prima approssimazione, la teoria quantistica può essere applicata a molti processi nucleari (come avveniva per la radioattività α, vista precedentemente), ed anche alle collisioni rapide delle particelle e alla fissione nucleare. La fisica dello spazio ha a che fare con oggetti di grandi dimensioni -- stelle, plasmi, pianeti, ecc. -- ben al di là della scala submicroscopica della maggior parte dei processi quantistici. Tuttavia, anch'essa ha bisogno della meccanica quantistica, per tener conto dei processi su scala atomica connessi con il comportamento di tali grandi oggetti. L'energia delle stelle come il Sole è dovuta principalmente a reazioni tra nuclei atomici, e la maggior parte degli elementi che conosciamo (esclusi solo i più leggeri) sembrano che vengano rapidamente "cucinati" nel collasso catastrofico delle grandi stelle, generando quella che è nota come una "supernova". In effetti la materia del "Big Bang" originale sembra che mancasse di tutti gli elementi a noi familiari dal carbonio in su, dai quali dipende (tra le altre cose) la vita. Altri processi quantistici determinano
Quasi tutto quello che è stato esposto precedentemente descrive il lavoro svolto tra il 1900 e il 1960. Da allora si sono compiuti molti progressi, in particolare sul modo in cui le particelle elementari interagiscono nelle collisioni ad alta energia (con applicazioni relative all'universo primitivo, dopo il "Big Bang"). Per "particelle elementari" si intendono qui protoni, neutroni ed elettroni, oltre a prodotti instabili generati nelle collisioni nucleari ad alta energia. Tutto questo però esula dal livello di questa panoramica, ed è anche al di là delle competenze di chi scrive, due buone ragioni per fermarci qui.
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