Nucleo (fisica)

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Introduzione

Nucleo (fisica) Costituente centrale dell’atomo, formato da protoni e neutroni, intorno al quale orbitano gli elettroni; è carico positivamente e in esso è concentrata la maggior parte della massa dell’intero atomo. Le sue dimensioni sono dell’ordine dei 10^-14 m, vale a dire di 10 fm.

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Le forze nucleari

I protoni e i neutroni che compongono il nucleo, detti genericamente nucleoni, sono legati da forze nucleari di intensità molto elevata, dette per questo “forze forti”. Senza di esse il nucleo, sottoposto alla repulsione coulombiana che si esercita tra i suoi protoni, non potrebbe esistere, ma si disintegrerebbe. Lo studio della natura delle forze nucleari ha richiesto l’allestimento e l’analisi di innumerevoli esperimenti, da cui è emersa una popolazione di oltre duecento particelle elementari subnucleari prima sconosciute.

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L’ipotesi di Yukawa: lo scambio di mesoni

Il merito di aver formulato una prima teoria della forza nucleare va al fisico giapponese Yukawa Hideki: nel 1934 egli suggerì che la forza nucleare fra i nucleoni si esercitasse grazie all’azione di particelle mediatrici che, rimbalzando continuamente da un nucleone all’altro, li tenevano uniti. All’epoca non si disponeva di strumenti in grado di roimpere il nucleo atomico e studiarne i costituenti. La ricerca di queste particelle, chiamate mesoni, fu effettuata attraverso lo studio dei raggi cosmici, radiazione di origine cosmica costituita da particelle estremamente energetiche, che raggiunge la Terra attraverso lo spazio interstellare. La radiazione cosmica include una grande varietà di particelle elementari, alcune delle quali di energia superiore a quelle ottenibili sperimentalmente anche con i più moderni e sofisticati acceleratori di particelle: si pensava perciò che nei raggi cosmici i nuclei atomici potessero mostrare i propri costituenti.

Infatti, due anni dopo la formulazione della teoria di Yukawa, nei raggi cosmici fu osservata una nuova particella che rispondeva alle caratteristiche del mesone. In realtà i fisici si sbagliavano: si trattava del muone, particella appartenente alla medesima famiglia dell’elettrone, e perciò completamente diversa da quella ipotizzata da Yukawa. La sua vera identità sarebbe stata riconosciuta solo intorno al 1950. La particella ipotizzata da Yukawa fu invece osservata per la prima volta nel 1947 dal fisico inglese Cecil Frank Powell, mentre una conferma diretta del meccanismo di scambio fra nucleoni venne data da Emilio Segrè nel 1948, con un esperimento di bombardamento di nuclei atomici con neutroni ad alta energia. In seguito, l’ipotesi di Yukawa iniziò a rivelare alcune inconguenze: non era in accordo con i risultati ottenuti negli esperimenti di urto fra protoni, e fra protoni e pioni; inoltre, non prevedeva l’esistenze delle innumerevoili particelle elementari che nel frattempo erano state scoperte.

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Le particelle subnucleari

Dopo vari anni di studi, le centinaia di particelle subnucleari scoperte vennero raggruppate in base alla natura delle forze che determinano le loro interazioni. Oggi si distinguono pertanto gli adroni – che comprendono mesoni e barioni, di cui fanno parte anche protone e neutrone – particelle soggette alla forza nucleare forte e a quella elettromagnetica e i leptoni – tra i quali figurano la particella tau, il muone, l’elettrone, con i rispettivi neutrini – soggetti invece alla forza elettromagnetica e all’interazione nucleare debole. L’uso di acceleratori di particelle ha permesso di stabilire anche che a ogni particella corrisponde un’antiparticella di uguale massa, ma dotata di carica e altre proprietà quantistiche (i cosiddetti numeri quantici) “speculari”.