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CAPITOLO Il nucleo dell’atomo
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ell’aufbau degli elementi della tavola periodica, descritto nel capitolo precedente, non si è fatto alcun cenno ai neutroni che sono contenuti nel nucleo di tutti gli atomi (con la sola eccezione dell’atomo di idrogeno, il cui nucleo è costituito da un protone solitario). Né ci si è posti il problema di come nel nucleo degli atomi possano stabilmente coesistere più protoni, a dispetto delle grandi forze di repulsione elettrostatica che la fisica classica prevede quando particelle di uguale carica sono poste a piccolissima distanza. Per avere un’idea della distanza alla quale si trovano i protoni nel nucleo di un atomo è sufficiente mettere a confronto le dimensioni di un atomo con quelle del suo nucleo. L’atomo di ferro, per esempio, ha un raggio di 126 pm (1,26 · 10–10 m) mentre il suo nucleo ha un raggio di pochi femtometri (1 fm = 1 · 10–15 m). Ricorrendo a un paragone, se il nucleo dell’atomo avesse le dimensioni di un pallone da calcio, gli orbitali elettronici più esterni abitati allo stato fondamentale si troverebbero a qualche chilometro di distanza. Va anche considerato che, pur essendo le dimensioni del nucleo solo una piccola frazione delle dimensioni complessive dell’atomo, la sua massa rappresenta quasi il 99,99% dell’intera massa dell’atomo. Alla massa del nucleo contribuiscono sia i protoni sia i neutroni (il numero di questi ultimi è maggiore del numero dei protoni nel nucleo degli atomi di molti elementi). Alla massa del nucleo di un atomo di ferro, per esempio, contribuiscono 26 protoni e 30 neutroni e, a conti fatti, i neutroni contribuiscono quindi per oltre il 53% alla massa complessiva di un atomo di ferro.
Energia di legame nucleare Se si considera la sua composizione in protoni, neutroni ed elettroni, risulta molto semplice calcolare la massa di un atomo di ferro, sommando la massa dei nucleoni1 e degli elettroni contenuti in un singolo atomo. Calcolando la massa dei 26 protoni (mp), dei 30 neutroni (mn) e dei 26 elettroni (me) come: mp = 26 · 1,672623 · 10–24 g = 4,3488198 · 10–23 g mn = 30 · 1,6749286 · 10–24 g = 5,0247858 · 10–23 g me = 26 · 9,109389 · 10–28 g = 2,3684411 · 10–26 g e sommando i valori calcolati, si ottiene per la massa atomica (mcal) un valore di: mcal = 9,3759740 · 10–23 g
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Con il termine nucleone si indicano qui due dei componenti del nucleo: protoni e neutroni. La fisica moderna ha messo in evidenza una quantità di altri componenti del nucleo che in questo testo non è utile considerare in dettaglio. Occorre però precisare che quando si parla del protone si parla di un’entità del nucleo (un adrone) che è a sua volta costituita da tre quark: due dei quark hanno “sapore” up (su) e il terzo ha “sapore” down (giù), mentre il neutrone è formato da due quark down e un quark up. I fisici nucleari (ai quali non difetta certo la fantasia) hanno definito i “sapori” degli altri quattro quark esistenti con i nomi di strange, charm, bottom e top. 1
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