L’antimateria

27 03 2010
L'immagine, elaborata al computer, è stata tratta dall'indirizzo www.barilochenyt.com.ar/antimateria.htm

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Questo corso è denominato “scienza della materia” ma dal prossimo anno sarà diviso in “fisica” per la classe prima e “chimica” per la classe seconda, con una riduzione di ore settimanali. Ritengo che fosse più appropriato il nome “scienza della materia”, perché tutto l’Universo appare composto da materia. Eppure molti studiosi, a partire dal 1930 circa, hanno ipotizzato e poi confermato con prove sperimentali che dal Big Bang sono state create uguali quantità di materia e di antimateria. Cos’è l’antimateria? Secondo la teoria che la descrive, per ogni particella elementare descritta dal Modello Standard ne esiste una con carica opposta.

Abbiamo sempre studiato che l’atomo di qualunque elemento ha un nucleo positivo nella sua zona centrale dove è concentrata quasi tutta la sua massa e che il nucleo è circondato da gusci esterni con gli elettroni dotati di carica negativa che non contribuiscono alla massa atomica ma conferiscono volume all’atomo stesso. Nel caso dell’antimateria invece la costituzione, per quanto riguarda la cariche elettriche, è esattamente opposta: il nucleo è caricato negativamente e il guscio esterno è composto di particelle positive. Riguardo alla massa invece le particelle della materia e quelle dell’antimateria sono identiche.

Gli studi sull’antimateria iniziarono dopo le pubblicazioni di Einstein sulla meccanica quantistica e sulla relatività speciale in cui affermava, tra l’altro, che la materia è una tra le tante forme di energia. Un impulso importante venne dagli studi di Paul Dirac pubblicati nel 1928 nel volume “La Teoria Quantistica dell’Elettrone”. Dopo alcune ipotesi che sembravano confermare i risultati sperimentali, Dirac nel 1931 propose l’esistenza dell’antielettrone, detto anche positrone, una particella con la stessa massa dell’elettrone ma con carica elettrica positiva. La proposta suscitò numerose critiche e proteste nella comunità scientifica. L’anno successivo, in un famoso esperimento con la camera a nebbia (un rilevatore di particelle, ideato da Charles Wilson e definito da Lord Rutherford “il più originale e meraviglioso strumento della storia della scienza”), Carl Anderson notò che alcune particelle avevano tutte le caratteristiche degli elettroni tranne la principale: reagivano al campo magnetico come se fossero cariche positivamente! Era una scoperta sensazionale: la prima evidenza sperimentale dell’esistenza di una particella di antimateria. Intanto Dirac, prima di questa conferma, aveva fatto un’altra delle sue ipotesi che ai più sembravano fantascientifiche: si spinse a prevedere che se un elettrone avesse incontrato un positrone, insieme si sarebbero annichiliti (cioè annientati, ci sarebbe stata la trasformazione di particelle di massa propria in radiazione elettromagnetica) così come era previsto dalla celebre equazione di Einstein E = mc2 . Poiché l’esistenza di queste particelle di antimateria non era conosciuta nella materia che pervade l’Universo, secondo Dirac era possibile l’esistenza di un universo parallelo o comunque di altre parti di Universo, a noi sconosciute, in cui le cariche positive e quelle negative delle particelle erano invertite. Certamente non gli mancavano fantasia e originalità. Nel 1933 Dirac ricevette il premio Nobel per la fisica e ipotizzò l’esistenza dell’antiprotone o protone negativo.

Oggi sappiamo che negli acceleratori di particelle (ad esempio al Cern di Ginevra o al Laboratorio Fermi di Chicago) vengono generate spesso antiparticelle (antiprotoni, antineutroni, antimesoni, …). Particella e corrispondente antiparticella sono create e distrutte solo in coppia. L’esistenza dell’antimateria ormai è provata e confermata, piccole quantità vengono anche immagazzinate. Ma se nel nostro mondo e nell’Universo conosciuto si nota solo materia e tutti i modelli che ne descrivono l’origine (Big Bang) prevedono la creazione di quantità uguali di materia e antimateria, che fine ha fatto l’antimateria? Si scoprirà mai?

L’antimateria oggi viene anche utilizzata nelle più sofisticate tecniche di diagnostica medica. La PET ad esempio è una tecnica di indagine il cui nome è l’acronimo di Tomografia a Emissione di Positroni. Questa tecnica si basa sull’uso di radio-traccianti, cioè sostanze che in piccole quantità si integrano nel nostro organismo e nei suoi processi fisiologici rivelando situazioni di patologia. Come radio-traccianti si utilizzano soprattutto gli isotopi del carbonio, dell’azoto, dell’ossigeno e del fluoro che quando decadono spontaneamente nell’organismo in nuclei stabili, emettono positroni che interagendo ciascuno con un elettrone si annichila generando fotoni che vengono rivelati dallo strumento. La PET ormai è una tecnica diagnostica molto utilizzata per individuare tumori oppure in campo neurologico per la malattia di Alzheimer e il morbo di Parkinson. Nel 2009, nel mondo, sono state effettuate oltre 5 milioni di indagini PET, in continua crescita rispetto agli anni precedenti.

Per approfondimenti: http://it.wikipedia.org/wiki/Antimateria  http://www.scienzagiovane.unibo.it/antimateria.html  http://www.explorasciencenow.rai.it/DettVideo.aspx?IDVideo=18




Miscugli e soluzioni

8 03 2010

Quando parliamo di miscugli, cosa ci viene in mente? Siamo immersi nei miscugli e pochi di noi se ne accorgono. Ad ogni nostro atto respiratorio immettiamo nei polmoni un miscuglio di gas che, come sai, è costituito per il 78% da azoto, il 21% da ossigeno e la restante parte è costituita da anidride carbonica, vapore acqueo, altri gas e, purtroppo, inquinanti come i famigerati PM10 (particelle microscopiche di diametro inferiore a 10 millesimi di millimetro). Ma anche tutte le nostre attività avvengono su un miscuglio. In quest’altro caso si tratta di un miscuglio prevalentemente solido, il terreno, costituito da minerali, humus, terra, rocce o pietrisco, acqua, aria e, al solito, inquinanti di vario genere. Senza considerare poi mari e oceani, costituiti da miscugli d’acqua, sali minerali disciolti, microrganismi vari, ecc.

In ogni caso quando parliamo di miscugli, pensiamo a componenti diverse mescolate insieme che conferiscono proprietà diverse ai vari miscugli. Dal punto di vista didattico, per lo studio, è opportuno distinguere due gruppi di miscugli: quelli eterogenei e quelli omogenei. I primi si individuano con una certa facilità perché le varie componenti hanno caratteristiche diverse che mantengono anche nel miscuglio: ad esempio un miscuglio di zolfo e limatura di ferro o di sale e peperoncino. Nel miscuglio eterogeneo i componenti possono essere mescolati in qualsiasi proporzione e quantità, possono essere separati mantenendo inalterate le loro proprietà. Nei miscugli omogenei invece i componenti sono mescolati così bene che perdono alcune caratteristiche visibili e non sono più individuabili neanche utilizzando un microscopio. Ad esempio è il caso dello zucchero o del sale sciolto in acqua, la cui presenza si può rilevare solo dal sapore dolce nel primo caso o salato nel secondo. Anche nei miscugli omogenei i componenti possono essere mescolati in diverse proporzioni ma con alcuni limiti, inoltre le proprietà di un miscuglio omogeneo sono le stesse in ogni suo punto, al contrario di quello che accade con i miscugli eterogenei. Le soluzioni sono esempi di miscugli omogenei di grande utilità e che muovono enormi interessi commerciali, ma quest’argomento merita una trattazione a parte. Facciamo solo un accenno alle leghe, cioè alle soluzioni di un metallo in un altro metallo. Quando si fondono insieme due o più metalli, il solido che si ottiene per raffreddamento, in genere ha proprietà diverse da quelle dei metalli di partenza. Queste tipologie di soluzioni differiscono dalle altre perché i costituenti non possono spostarsi l’uno rispetto all’altro. Sappiamo infatti che nello stato solido le particelle vibrano intorno ad una posizione fissa, quindi i movimenti sono quasi inesistenti. Le leghe possibili sono numerosissime: in alcuni casi i metalli formano leghe in tutte le proporzioni, in altri la lega si forma solo con proporzioni ben definite fra i costituenti. Tutte le monete metalliche sono costituite da leghe. Tra le principali leghe, ricordiamo la ghisa (lega ferro-carbonio), gli acciai speciali (leghe ferro-carbonio-altri metalli), il bronzo (lega rame-stagno), l’ottone (lega rame-zinco), l’oro che non è quasi mai usato puro (24 carati) perché è troppo tenero, ma in una lega con argento e rame (18 carati con 66% di oro, oppure 12 carati con 50% di oro).

Vediamo ora quali sono le operazioni che ci consentono di separare i componenti di un miscuglio partendo da un esempio di miscuglio di grande interesse economico: il petrolio. Le principali componenti del petrolio: benzina, gasolio, catrame, … si ricavano per distillazione frazionata: è un processo che sfrutta le differenti temperature con cui alcuni componenti passano dallo stato liquido a quello gassoso e si verifica in grossi impianti industriali, le raffinerie. La distillazione semplice di acqua marina, nelle saline, invece permette di far evaporare la componente liquida (acqua distillata) e lascia sul fondo i sali che vi erano disciolti. Opportunamente raffinati formeranno il sale che utilizziamo in cucina (cloruro di sodio, NaCl) oppure il sale che nel periodo invernale viene sparso sulle strade per far sciogliere il ghiaccio o per evitare che la neve ghiacci. Altri metodi utilizzati sono:

a.    La decantazione che sfrutta il fatto che i solidi spesso sono più densi dei liquidi, perciò permette di separare alcuni componenti solidi da un miscuglio. Ad esempio nel vino non filtrato si nota spesso un “deposito” di particelle solide sul fondo della bottiglia.

b.   La filtrazione è un metodo che consente di separare abbastanza bene, utilizzando un imbuto con filtro, i componenti di un miscuglio eterogeneo solido-liquido. Si può utilizzare ad esempio nel vino torbido.

c.    La centrifugazione permette di separare i componenti di un miscuglio eterogeneo solido-liquido grazie all’utilizzo di una centrifuga. Ad esempio le componenti solide del sangue possono essere separate dal plasma con una centrifuga da laboratorio.

d.   La cromatografia sfrutta le differenti velocità di movimento dei componenti del miscuglio su un mezzo poroso. Ad esempio l’estrazione di vari pigmenti vegetali in una soluzione acquosa può avvenire per cromatografia.

 

Per approfondimenti

http://it.wikipedia.org/wiki/PM10

http://www.meuccicarpi.it/files/I%20MISCUGLI.ppt

http://it.wikipedia.org/wiki/Miscela_(chimica)

http://www.itg-rondani.it/dida/chimica/modulo1/ud1_2/ud1_2pag1.htm

http://www.itg-rondani.it/dida/chimica/modulo1/ud1_2/ud1_2pag2.htm

http://www.itg-rondani.it/dida/chimica/modulo1/ud1_2/ud1_2pag3.htm

miscuglio 

miscuglio eterogeneo