LA MATERIA

Marzo 2014 Proff. : Ricco e Parravicini

La materia (dal latino mater = madre) è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa.

La materia è formata da sostanze diverse

In una sostanza la molecola è la più piccola unità che,

conservando le caratteristiche chimiche della sostanza stessa,

sia capace di esistenza indipendente.

ossigeno

acqua

ozono

azotoanidride carbonica

se costituite da atomi uguali

se costituiteda atomi di natura diversa

Le sostanze possono essere:

compostecomposte

semplici e

Le molecole delle sostanze semplici (elementi) sono formate da due o più atomi uguali legati tra loro.

Ad esempio:O2 (molecola del gas ossigeno).

Atomo di ossigeno

Atomo di ossigeno

Molecola del gas ossigeno

Le molecole delle sostanze composte sono formate da

due o più atomi di elementi diversi legati tra loro.

Ad esempio:CO2 (molecola dell'anidride carbonica)

Atomocarbonio Atomi ossigeno Molecola di anidride carbonica

Molecola composta

L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso.

Tavola periodica degli elementi

L'atomo è formato da elettroni che si muovono attorno a un nucleo composto (in uno schema molto

semplificato) da protoni e neutroni.

neutroni

protoni

elettroni

Gli elettroni occupano strati (gusci) via via più grandi a partire da quello più interno.

1^ strato completo 2 elettroni

2^ strato completo8 elettroni

3^ strato completo8 elettroni

Schema semplificato di alcuni atomi

2 elettroni 8 elettroni 17 elettroni

Il numero dei protoni presenti in un atomo viene detto numero atomico (z) e contrassegna l’identità di un atomo.

Gli elettroni (indicati con punti rossi) nel guscio più esterno di un atomo sono quelli che interagiscono più facilmente con gli altri atomi e quindi giocano un ruolo maggiore nel comportamento chimico dell’elemento.

nr dei protoni = nr degli elettroniIn un atomo

Come leggere la tabella periodica degli elementi

P = peso atomico (massa atomica relativa di un elemento esprime quante volte l’atomo di questo elemento pesa di più della dodicesima parte dell’atomo di carbonio) Il peso atomico (P) viene riportato sotto al simbolo chimico dell'elemento

z = numero atomico = numero protoni il numero atomico (z) viene evidenziato a destra, in alto, del simbolo dell'elemento

Numero atomico

Simbolo elemento

Peso atomico

Nome elemento

C’è poi il numero di massa di un atomo che si riferisce al numero di particelle complessive contenute nel nucleo di un atomo e si

ottiene:

NUMERO DEI NEUTRONI

NUMERO DI MASSA

NUMERI DEI PROTONI +

Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento chimicohanno: lo stesso numero atomico (numero di protoni) Z ma : differente numero di massa (numero protoni + numero neutroni) A

1 protone1 protone1 netrone

1 protone2 neutroni

Z = 1A = 1

Z = 1A = 2

Z = 1A = 3

Altro esempio

Gli isotopi del carbonio

6 protoni6 neutroni 6 protoni

7 neutroni

6 protoni8 neutroni

Carbonio12(6P + 6N)Numero di massa 12

Carbonio 13(6P +7 N)Numero di massa 13

Carbonio 14(6P + 8N)Numero di massa 14

Si tratta di flussi di particelle ad alta energia provenienti dallo spazio, quasi tutte dotate di

carica elettrica.

In natura esistono altri tipi di particelle elementari

per esempio quelle presenti nei raggi cosmici.

Sono costituitiper lo più da ioni di elementi leggeri (idrogeno, deuterio, elio, litio, ecc..) ed elettroni, che si muovono a velocitàaltissime, prossime a quella della luce.

Quando il flusso continuo di raggi cosmici raggiunge la nostra atmosfera da tutte le direzioni dello spazio, le particelle si moltiplicano in una cascata di interazioni successive, creando un'invisibile "pioggia cosmica"

Questi raggi, urtando le particelle dell'atmosfera, le spezzano in altre più piccole, dette muoni e pioni

La pioggia cosmica colpisce continuamente ciascuno di noi alla frequenza di circa 4000 particelle cariche al minuto per centimetro quadrato.

Altri particolari raggi cosmici, come i neutrini , interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia

 sono particelle prive di carica elettrica e con una massa estremamente piccola (che non si è ancora riusciti a misurare). 

In ogni secondo ogni oggetto sulla Terra (compresi noi stessi) è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi neutrini viene catturato: per dare un'idea in media soltanto un neutrino all'anno interagisce con il corpo di una persona!

I neutrini sono le particelle più abbondanti dell’universo

Altre particelle raggiungono il suolo e possono essere catturate da rivelatori posti sulla superficie terrestre.

Altre particelle ancora penetrano dentro la Terra e vengono intrappolate da dispositivi sotterranei, come il CERN del Gran Sasso, o posti sul fondo del mare.

Rivelatori vengono installati all’interno di navi spaziali, capaci di analizzare i raggi cosmici nello spazio.

Studiare raggi e particelle ad energie irraggiungibili negli acceleratori qui sulla Terra consente di ottenere preziose indicazioni sulle prime fasi di evoluzione dell'Universo.

In tutti questi anni sono state scoperte tante particelle ed è stata elaborata una teoria, chiamata “modello standard”, che è in grado di descrivere sia la materia che tutte le forze dell’universo (tranne la gravità).

particelle materiali, cioè che compongono la materia come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark

Il modello prevede due tipi di particelle:

particelle mediatrici di forza, cioè che la tengono insieme

Le particelle materiali fondamentali, quark e leptoni, come anche la maggior parte delle

particelle composte (come protoni e neutroni) non possono coesistere nello stesso luogo.

Questa, per la materia in condizioni ordinarie,

è una proprietà importantissima!

In totale si conoscono

12 tipi di particelle materiali (6 quark e 6 leptoni)

12 particelle mediatrici di forza che permettono loro di interagire gli uni con gli altri

A cui si è aggiuntala 13^ particella

Tutte le interazioni* sono dovute al fatto che

le particelle materiali si scambiano tra loro le particelle mediatrici di forza chiamate bosoni,

come se giocassero a palla!

*processi mediante i quali due o più sistemi, o corpi, o particelle agiscono l’uno sull’altro con conseguenti modificazioni reciproche del loro stato e della loro energia

gravità

Le particelle interagiscono tra di loro mediante quattro interazioni fondamentali:

interazione forte elettromagnetismo

interazione debole

I quark sono una delle due famiglie di particelle subatomiche, che si ritiene siano fondamentali e indivisibili.

In natura i quark non si trovano mai isolati, ma formano particelle composte dette adroni ;

tra le più note i protoni e i neutroni

Un protone, composto di due quark up e un quark down

Sono influenzate dall'interazione forte

Un neutrone, composto di un quark up e due quark down

I leptoni sono:gli elettroni, i muoni, le particelle tau, i loro rispettivi neutrini (particelle tra le più leggere).

Sono particelle non influenzate dalla forza forte.

I leptoni sono tra le particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali).

Un leptone (dal greco lepton, luce) è una particella subatomica che non è composta da quark.

L’immensa varietà di fenomeni che avvengono attorno a noi può essere descritta basandosi solo su 4 interazioni fondamentali , che dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le diverse parti dell'Universo.

Descrivendo un’interazione è importante definire due quantità: il range o raggio d' azione e l’intensità.

Le forze sono «mediate» da particelle ( i bosoni intermedi o "quanti di energia") che sono diverse da quelle che compongono la materia,

esistono per un tempo brevissimo, il tempo necessario per trasmettere l’informazione da una particella di materia all’altra.

L’intensità delle interazioni fornisce i rapporti di forza tra le diverse interazioni.

Il range di un’interazione è la distanza massima in cui questa è influente.

per la gravità c’è il gravitone che è una forza molto debole a tutti  familiare;

per l’elettromagnetismo c’è il fotone che oppone resistenza allo spostamento degli atomi,

Quindi ci sarà una particella responsabile di ogni interazione:

tra due cariche elettriche si manifesta: o tra due poli magnetici

per l’interazione forte c’è il gluone (dall’inglese glue“colla”)

è talmente forte da riuscire a tenere uniti i quark l’uno con l’altro 

per l’interazione debole ci sono i bosoni W e Z  sono responsabili del decadimento dei quark e dei leptoni che hanno massa maggiore, in quark e leptoni più leggeri 

(la materia stabile dell’universo infatti è composta solo dai due quark più leggeri di tutti, cioè il quark up e il quark down e dal leptone più leggero cioè l’elettrone!).

g

è responsabile della struttura atomica e molecolare, delle reazioni chimiche e di tutte le forze (escluse quelle gravitazionali) che osserviamo nel nostro mondo (come, ad esempio, le forze magnetiche). Si manifesta tra tutte le particelle elettricamente cariche ed ha come bosone intermedio il fotone.

Ha raggio d’azione infinitoInoltre l‘intensità diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro.

Interazione elettromagnetica

Due calamite che si attraggono, lo fanno scambiando una grande quantità di particelle chiamate fotoni

Interazione tra due pianeti o che ci tiene sulla terra per effetto del campo gravitazionale: quella che ci tiene incollati alla sedia, che fa cadere le mele, lega la Luna alla Terra.

I fisici ritengono il gravitone responsabile della mediazione della forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia stata ancora confermata sperimentalmente.

Forza gravitazionale

l’interazione gravitazionale ha un raggio d’azione infinito; per questa caratteristica il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi.

Indipendente dalla carica elettrica, è la forza responsabile dell’esistenza stessa dei nuclei, che in assenza di tale forza, a causa della presenza di cariche tutte positive, tenderebbero a frantumarsi .

…..vera e propria colla tra protoni e neutroni all’interno del nucleo e dei quark all’interno degli adroni…

……..sebbene più nascosta, è indispensabile per la nostra vita…

gluoni sono i bosoni intermedi delle interazioni

Interazione forte

Le interazioni forti hanno: raggio di azione pari a circa le dimensioni del nucleo (un adrone che passi oltre questa distanza subirà un’interazione con il nucleo trascurabili). intensità superiore tra le quattro interazioni.

L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Trasforma particelle e atomi da un tipo ad un altro, come accade nelle reazioni nucleari che alimentano il Sole

..è l'unica che in un certo senso non "lega" niente! Al limite divide: è infatti responsabile dei decadimenti delle particelle.

Messaggeri di quest’interazione sono i bosoni carichi W+ e W- e il bosone neutro Z0. Che trasportano la forza nucleare debole.

La forza debole

La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quoditiana.

Si manifesta tra tutte le particelle, leptoni e quarks.

Il raggio d'azione è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra.

L'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola,

tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi molto rari.

La forza debole

neutrone composto di due quark down e un quark up

il neutrone iniziale è ora diventato un protone

 il bosone W decade in un elettrone (carica elettrica -1) e in un anti-neutrino privo di carica elettrica.Anche in questo passaggio la carica elettrica è conservata.

nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone

 un quark down interagisce con il campo dell'interazione debole ed emette il mediatore di quel campo, il bosone intermedio W, trasformandosi in un quark up.

Esempio di decadimento di particelle

• Nel 1984 Carlo Rubbia fu insignito del Nobel

Il lavoro scientifico che gli è valso il Nobel,

è la scoperta, nel 1983, delle particelle responsabili dell'interazione

debole,

una delle forze fondamentali nell'universo,

ossia i bosoni vettoriali W+, W- e Z. 

BUON STUDIO ……….