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1 ESTENSIONE ON LINE Le quattro forze fondamentali della natura Le forze naturali sono quattro: la forza di gravità o più semplicemente gravità, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Queste quattro forze, al momento di esplicare la loro azione, producono le particelle portatri- ci di forze dette anche mediatrici. Queste particelle sono il gravitone per la gravità, il fotone per la forza elettromagnetica, i bosoni W + , W - e Z per la forza nucleare debole e i gluoni per la forza nucleare forte. Al momento non è stata dimostrata l’esistenza dei gravitoni, ma si ritiene che sia molto probabile la loro esistenza. Le particelle mediatrici di forza sono dette virtuali perché, a differenza delle particel- le reali (elettroni, protoni, neutroni, quark), non possono essere rilevate direttamente negli acceleratori di particelle. Gli scienziati hanno dimostrato la loro esistenza per- ché si manifestano e producono degli effetti perfettamente misurabili. La gravità è una forza molto particolare perché, anche se è molto debole, ha delle caratteristiche interessanti: essa è sempre attrattiva, si manifesta a distanze anche lunghissime come gli spazi cosmici, interessa la massa di tutti i corpi presenti in na- tura. Il fatto che la gravità si manifesti anche a distanze grandissime fa pensare che il gravitone sia privo di massa. Si ritiene che i gravitoni manifestino la propria azione producendo onde gravitazionali debolissime e non ancore rilevate. La forza elettromagnetica si manifesta quando interagiscono particelle cariche come gli elettroni e i quark (che compongono protoni e neutroni) e non con particelle senza carica come ad esempio i gravitoni. La forza elettromagnetica è molto più intensa della gravità (di un fattore 1∙10 42 ). La forza elettromagnetica non è solo attrattiva ma anche repulsiva, infatti cariche dello stesso segno (+ e +, - e -) si respingono e cariche opposte si attraggono (+ e -, - e +). I corpi di grandi dimensioni, cioè in scala macro- scopica, hanno una quantità di cariche positive uguale alla quantità di cariche nega- tive e pertanto questi corpi sono neutri. A livello atomico invece si ha che le particelle cariche positivamente, i protoni, risiedono nel nucleo mentre gli elettroni negativi vi ruotano attorno. Il fenomeno dell’attrazione elettromagnetica viene spiegato attraver- so lo scambio di particelle virtuali senza massa chiamate fotoni. Il risultato finale è l’emissione di un fotone di radiazione elettromagnetica che se ha la frequenza giusta (nel visibile) viene rilevata dall’occhio umano. La forza nucleare debole è la forza che produce il fenomeno del decadimento radio- attivo. Esempi di decadimento sono quelli di tipo alfa (α), beta (β) e gamma (γ). Il decadimento α si verifica nei nuclei di atomi pesanti come l’isotopo uranio 238 ( 238 U 92 ) che libera un nucleo di elio ( 4 He 2 ): 238 U 92 → 234 Th 90 + 4 He 2 Il decadimento β si verifica nei nuclei di atomi come l’isotopo cobalto 60 ( 60 Co 27 ); un neutrone del cobalto si trasforma in un protone (che viene assorbito dal nucleo) e libera un elettrone (e) e un antineutrino elettronico (ne): 60 Co 27 → 60 Ni 28 + e + ne Il decadimento gamma viene prodotto da nuclei pesanti che però in questo caso emet- tono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia. Questa forza agisce sulle particelle materiali (neutroni ecc.) e non agisce sulle particelle virtuali (fotoni ecc.). Le particel- le mediatrici di questa forza sono tre e vengono dette bosoni W + , W - e Z ed hanno un raggio d’azione molto corto (vedi tabella 1).
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ESTENSIONE ON LINE
Le quattro forze fondamentali della naturaLe forze naturali sono quattro: la forza di gravità o più semplicemente gravità, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Queste quattro forze, al momento di esplicare la loro azione, producono le particelle portatri-ci di forze dette anche mediatrici. Queste particelle sono il gravitone per la gravità, il fotone per la forza elettromagnetica, i bosoni W+, W- e Z per la forza nucleare debole e i gluoni per la forza nucleare forte. Al momento non è stata dimostrata l’esistenza dei gravitoni, ma si ritiene che sia molto probabile la loro esistenza.Le particelle mediatrici di forza sono dette virtuali perché, a differenza delle particel-le reali (elettroni, protoni, neutroni, quark), non possono essere rilevate direttamente negli acceleratori di particelle. Gli scienziati hanno dimostrato la loro esistenza per-ché si manifestano e producono degli effetti perfettamente misurabili.La gravità è una forza molto particolare perché, anche se è molto debole, ha delle caratteristiche interessanti: essa è sempre attrattiva, si manifesta a distanze anche lunghissime come gli spazi cosmici, interessa la massa di tutti i corpi presenti in na-tura. Il fatto che la gravità si manifesti anche a distanze grandissime fa pensare che il gravitone sia privo di massa. Si ritiene che i gravitoni manifestino la propria azione producendo onde gravitazionali debolissime e non ancore rilevate.La forza elettromagnetica si manifesta quando interagiscono particelle cariche come gli elettroni e i quark (che compongono protoni e neutroni) e non con particelle senza carica come ad esempio i gravitoni. La forza elettromagnetica è molto più intensa della gravità (di un fattore 1∙1042). La forza elettromagnetica non è solo attrattiva ma anche repulsiva, infatti cariche dello stesso segno (+ e +, - e -) si respingono e cariche opposte si attraggono (+ e -, - e +). I corpi di grandi dimensioni, cioè in scala macro-scopica, hanno una quantità di cariche positive uguale alla quantità di cariche nega-tive e pertanto questi corpi sono neutri. A livello atomico invece si ha che le particelle cariche positivamente, i protoni, risiedono nel nucleo mentre gli elettroni negativi vi ruotano attorno. Il fenomeno dell’attrazione elettromagnetica viene spiegato attraver-so lo scambio di particelle virtuali senza massa chiamate fotoni. Il risultato finale è l’emissione di un fotone di radiazione elettromagnetica che se ha la frequenza giusta (nel visibile) viene rilevata dall’occhio umano.La forza nucleare debole è la forza che produce il fenomeno del decadimento radio-attivo. Esempi di decadimento sono quelli di tipo alfa (α), beta (β) e gamma (γ). Il decadimento α si verifica nei nuclei di atomi pesanti come l’isotopo uranio 238 (238U92) che libera un nucleo di elio (4He2):
238U92 → 234Th90 + 4He2
Il decadimento β si verifica nei nuclei di atomi come l’isotopo cobalto 60 (60Co27); un neutrone del cobalto si trasforma in un protone (che viene assorbito dal nucleo) e libera un elettrone (e) e un antineutrino elettronico (ne):
60Co27 → 60Ni28 + e + ne
Il decadimento gamma viene prodotto da nuclei pesanti che però in questo caso emet-tono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia. Questa forza agisce sulle particelle materiali (neutroni ecc.) e non agisce sulle particelle virtuali (fotoni ecc.). Le particel-le mediatrici di questa forza sono tre e vengono dette bosoni W+, W- e Z ed hanno un raggio d’azione molto corto (vedi tabella 1).
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ESTENSIONE ON LINE
Interazione Particella mediatrice Spin Raggio d’azione
Forza forte Gluone 1 1,4∙10-15 m
Forza debole Bosoni W+, W- e Z 1 1,0∙10-18 m
Forza elettromagnetica Fotone 1 ∞
Forza gravitazionale Gravitone? 2 ∞
Tabella 1 Alcune caratteristiche delle interazioni (forze) della natura
La forza nucleare forte è la forza responsabile della tenuta dei quark all’interno dei neutroni e dei protoni e lega queste due particelle nucleari nello stesso nucleo. La for-za nucleare forte è una forza a brevissimo raggio ed è estremamente intensa a queste distanze: basti solo pensare che riesce a vincere la forza elettromagnetica di repul-sione tra due cariche positive (protoni). La particella virtuale responsabile di questa forza è il gluone (dall’inglese glue = colla).
