Che cosa tiene insieme gli atomi?

Che cosa tiene insieme gli atomi?

Probabilmente hai imparato presto nella tua formazione di scienza che cariche opposte si attraggono e cariche uguali si respingono reciprocamente. Il modello planetario di Niels Bohr dispone il nucleo di caricato positiva circondato da elettroni negativamente caricati. Le particelle cariche opposte tra loro, ottenere in maniera analoga all'attrazione di gravità tra il sole e i suoi pianeti satellitare. Questa descrizione estremamente semplificata è almeno un po ' soddisfacente nello spiegare perché gli elettroni stanno ronzando intorno al nucleo e non volare fuori nello spazio, ma che fa sollevare la questione: che cosa tiene insieme il nucleo?

Le quattro forze fondamentali

Ci sono quattro forze fondamentali dell'universo. La forza nucleare forte (o semplicemente "forza forte"), forza elettromagnetica, forza nucleare debole ("forza debole") e della gravità. La gravità è così debole da essere quasi irrilevanti a livello atomico o subatomico, anche se è di immensa importanza a livello macroscopico. La forza nucleare debole, mentre importanti nella fisica delle particelle avanzata, non è generalmente studiata in studi introduttivi delle forze atomiche. La forza nucleare forte e la forza elettromagnetica sono, al contrario, essenziale per comprendere ciò che tiene insieme gli atomi.

La forza elettromagnetica nel nucleo

Il nucleo contiene protoni positivamente caricati e neutroni, che non hanno nessuna carica elettromagnetica. Non c'è nessuna forza elettromagnetica che tiene un protone e neutrone insieme e l'attrazione gravitazionale è praticamente insignificante. Due protoni sono respinti con forza da un l'altro. Se viene aumentata la distanza tra due oggetti attratti o respinti dalle forze elettromagnetiche, la forza è diminuita da un quadrato di quel fattore. Così se la distanza è raddoppiata, la forza tra di loro è diminuita di un fattore di quattro. Se la distanza è dimezzata, esso è aumentata di un fattore di quattro. Protoni in un nucleo sono molto vicini e fortemente respingono uno altro.

La forza forte

La repulsione elettromagnetica tra protoni in un nucleo è estremamente forte. La forza che li tiene insieme nonostante questa repulsione elettromagnetica viene chiamata la forza nucleare forte, o semplicemente la forza forte. Come la forza elettromagnetica, che diminuisce con la distanza, ma la forza forte diminuisce molto più rapidamente con l'aumentare della distanza e diventa molto più forte a brevi distanze. Se fosse necessario portare due protoni vicini l'uno a altro, la repulsione elettromagnetica tra di loro sarebbe aumentare in modo esponenziale fino a quando furono estremamente vicini tra loro, al punto che l'attrazione a causa della forza forte, fortissimo a brevi distanze ed estremamente debole a distanze maggiori, consentirebbe di superare la repulsione elettromagnetica.

La forza elettromagnetica tra il nucleo e gli elettroni

Il modello planetario dell'atomo reso popolare da Niels Bohr raffigura gli elettroni che orbitano attorno al nucleo in maniera analoga ai pianeti in orbita intorno al sole. Invece di gravità, la forza che tiene i satelliti in luogo è la forza elettromagnetica. Questa è una descrizione semplificata notevolmente, e le forze che regolano "orbita" dell'elettrone del nucleo sono molto più complicate di quelle che regolano il moto di un pianeta intorno ad un sole. Gli elettroni negativamente caricati sono attratti attraverso la forza elettromagnetica al nucleo carico positivamente in maniera più o meno simile al moto dei pianeti tenuti in orbita dalla attrazione gravitazionale. Questa descrizione dovrà essere rivisto e ampliato come più ti addentri nei misteri dell'atomo.