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Fisica I anno: Appunti - STOQ

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60 CHAPTER 7.

60 CHAPTER 7. L’ELETTROMAGNETISMO: LE FORZE ELETTRICHE Chapter 7 L’elettromagnetismo: le forze elettriche Pensate ad una forza simile alla gravitazione ma che sia un miliardo di miliardi di migliaia di miliardi più forte. Pensate anche che questa forza abbia una duplice “forma” positiva e negativa e che inoltre abbia la caratteristica di attirare la specie opposta e di respingere la stessa specie. In tal caso corpuscoli aventi la “forma” si respingerebbero in tutte le direzioni, mentre un miscuglio composto di corpuscoli con differente “forma” sarebbe costretto ad avvicinarsi in modo che il risultato finale sarebbe che le forze si compenserebbero quasi perfettamente col formarsi di una mescolanza compatta di corpuscoli negativi e positivi. Una forza di tal fatta si chiama forza elettrica e tutta la materia è una miscela di protoni positivi ed elettroni negativi che si attirano e respingono. La compensazione è così perfetta che stando vicino ad un’altra persona voi non ne risentite alcuna forza. Basta però che una delle due persone abbia un piccolo deficit nella compensazione, ad esempio l’uno percento di elettroni e di protoni, che la forza di repulsione sarebbe incredibilmente grande tanto da sollevare un peso uguale a quello dell’intera Terra. Il perfetto bilanciamento all’interno della materia spiega come questa è rigida e tenace. Diversamente se guardiamo ad una scala microscopica da contenere pochi atomi per volta, questa non conterrà un ugual numero di cariche positive e negative e perciò ci saranno intense cariche elettriche residue. Anche quando in piccole porzioni vicine i numeri di cariche positive e negative si eguagliano ci possono essere ancora intense forze elettriche perchè le forze fra le singole cariche varino

61 come l’inverso del quadrato della distanza. Inoltre le forze che tengono assieme ciascun atomo e le forze chimiche che tengono uniti gli atomi nelle molecole sono realmente forze elettriche che agiscono in regioni dove l’equilibrio delle cariche non è perfetto e dove le distanze sono molto piccole. Questa schematizzazione non ci dà ragione del fatto che nell’atomo i protoni del nucleo e gli elettroni orbitali non finiscono gli uni sugli altri. In realtà la mancanza di annichilazione tra protoni ed elettroni è spiegata dalla meccanica quantistica. Infatti se si cerca di confinare gli elettroni di un atomo in una regione molto vicina di protoni in base al principio di indeterminazione, gli elettroni devono possedere una quantità di moto quadratica media che è tanto più grande quanto più cerchiamo di confinarli. È questo moto, imposto dalle leggi della meccanica quantistica, che impedisce all’attrazione elettrica di avvicinare le cariche oltre un certo limite. Ma per l’atomo c’è un altro problema. Nel nucleo ci sono diversi protoni che sappiamo essere positivi. Perchè non si separano? Il fatto è che nei nuclei ci sono altre forze non elettriche, le forze nucleari che sono più forti delle forze elettriche e quindi capaci di tenere assieme i protoni. Tuttavia queste forze hanno un raggio d’azione piccolo, infatti la loro intensità decresce molto più rapidamente dell’inverso del quadrato. Ciò comporta che se il nucleo ha troppi protoni non riesce più a stare assieme. Un esempio è l’uranio 92 (cioè con 92 protoni). Più ci sono protoni (o neutroni) in un nucleo e più forte è la repulsione elettrica, finchè come nel caso dell’uranio l’equilibrio è così delicato che basta inviargli contro un neutrone lento che esso si rompe in due pezzi, ciascun pezzo caricato positivamente, scagliandoli lontano l’uno dall’altro per mutua repulsione elettrica. Questa è la bomba nucleare e l’energia che è detta nucleare in realtà è energia elettrica che si libera quando le forze elettriche hanno superato le forze di attrazione nucleare. Possiamo ora anche domandarci che cosa è che tiene insieme un elettrone carico negativamente. Dato che l’elettrone è fatto tutto della medesima specie di sostanza, ogni sua parte dovrebbe

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