1 L’origine degli elementi dell’universo
2 I quark
3 Ciclo del carbonio
4 Produzione dell’ossigeno
5 Siti consultati
L’ORIGINE DEGLI ELEMENTI
NELL 'UNIVERSO
Idrogeno ed elio formano da soli circa
il 98% (in peso) dell'universo
esplorato. Questi elementi insieme a
piccole quantità di litio si sono
formati nel Big Bang, il processo da
cui si è formato l'Universo qualche
decina di miliardi di anni addietro. Idrogeno, elio e litio sono,
nell'ordine, i primi elementi più semplici e più leggeri fra i 111
conosciuti.
Gli altri elementi più pesanti si sono formati nei processi di
fusione nucleare che avvengono nelle stelle. L'energia necessaria
per innescare i processi di fusione nucleare è prodotta nel
processo di compressione della materia gassosa che costituisce le
stelle, compressione provocata dalla gravità.
Nelle stelle primitive che hanno massa sufficientemente grande (l'ordine di
grandezza è quella del nostro sole) questa compressione gravitazionale libera
calore in quantità tale (si raggiungono temperature dell'ordine di 107 K) da
innescare reazioni di fissione di atomi di idrogeno
1H + 1H
2H + B+ + v + y
2H + 1 H
3He + y
3He + 3He
4He + 21 H + y
(B+, v e y sono, nell'ordine i simboli de positroni, neutrini e raggi gamma)
In questi processi di fusione si libera energia; il calore sviluppato mantiene la
pressione dei gas intorno al nucleo centrale della stella (core) a valori tali da
bilanciare l'attrazione gravitazionale, fintanto che nel core c'è idrogeno da
fondere. Questo è il processo col quale il nostro sole produce energia; si pensa
che esso sia a metà della sua vita.
Quando una stella ha consumato tutto l'idrogeno, l'attrazione gravitazionale ha
di nuovo il sopravvento e il gas contraendosi provoca un aumento della
temperatura del core della stella che innesca la fusione di atomi di elio con
formazione di atomi più pesanti
3He 12C + y
12C + 4He 160 + y
In tutti questi processi massa di materia è convertita in energia. Mano a
mano che si esaurisce il combustibile, la gravità fa aumentare la
temperatura del nucleo della stella e fa accendere nuove reazioni di
fissione che producono atomi sempre più pesanti. Siccome la gravità
dipende dalla massa della stella, solo nelle stelle più grandi (le
cosiddette stelle giganti rosse) la gravità è sufficientemente grande da
fondere elementi pesanti. Questo non avviene nel sole e nelle altre stelle
di massa comparabile dove non si va oltre la formazione di atomi di
carbonio e di ossigeno (le cosiddette stelle nane bianche).
Nelle stelle grandi almeno 10 volte il nostro sole la temperatura del
nucleo centrale ha un ordine di grandezza di 109 K. A queste
temperature avviene la fusione anche di atomi di ferro (e di altri atomi
di massa comparabile) che hanno la maggiore energia media di legame
per nucleone. Siccome in questo processo si formano nuclei di atomi più
pesanti e meno stabili del ferro e quindi si assorbe energia, la
temperatura inizialmente diminuisce e per effetto della gravità si ha una
contrazione di tutta la materia stellare (è il cosiddetto collasso
gravitazionale di una stella).
Lo scontro degli atomi in questa fase di contrazione provoca la fusione
di altri atomi (oltre a quelli di ferro) e la formazione di neutroni che si
combinano con i nuclei presenti formando i vari isotopi di tutti gli
elementi che noi conosciamo: tutti questi processi avvengono in meno di
un secondo e terminano con una esplosione che scaglia nello spazio
tutta la materia prodotta durante il collasso gravitazionale. Questa è una
supernova ed in questo processo libera tanta energia da superare quella
complessiva di una galassia che contiene miliardi di stelle.
La materia scagliata nello spazio nel collasso gravitazionale di una
supernova e quella prodotta dalle stelle giganti e dispersa dai venti
solari formano le nebulose la cui condensazione per effetto della gravità
forma nuove stelle e pianeti. In questo modo si è formato anche il
sistema solare e la terra.
I quark
A differenza dei leptoni (e quindi dell'elettrone) che sono
particelle elementari, gli adroni possiedono una struttura
interna, o meglio sono composti di particelle ancora più
piccole, i quark.
Fino ad oggi sono stati osservati sei quark e le relative sei antiparticelle, gli
antiquark e sembra molto improbabile l'esistenza di altri. In nome quark è
l'abbreviazione di qu(estion) (m)ark, "punto interrogativo", termine tratto,
senza un preciso significato, da un passo del romanzo di J.Joyce "Finnigans
Wake", del 1939.
Le leggi che regolano l'aggregazione e l'interazione dei quark nei processi
forti sono quelle della Cromodinamica Quantistica; la particella che propaga
I'interazione è il gluone (per le interazioni elettromagnetiche è il fotone).
Elenchiamo adesso alcune proprietà dei quark:
Al di là di alcuni nomi inusuali
per la fisica, come "incanto" e
"bellezza", notiamo alcune cose
molto importanti: in primo
luogo che i quark hanno carica
non intera, mentre sappiamo
che ogni particella deve avere
carica elettrica multipla intera
della carica elementare e.
Questo che cosa significa?
Significa che in natura non ci
possono essere quark isolati, ma
devono essere uniti fra loro.
Questa proprietà è chiamata
"schiavitù asintotica".
La QCD (Quantum CromoDinamic, nome inglese della Cromodinamica
Quantistica) ci insegna che esistono solo due modi in cui i quark (e/o gli
antiquark) si possono unire:
e sono detti mesoni.
in gruppi di tre quark ( o tre antiquark), ad esempio:
ud (carica Q = 0) o ud (carica Q = e)
e sono detti barioni.
La diversa composizione delle due famiglie di adroni implica, ovviamente,
che i diversi componenti hanno proprietà fisiche diverse. Sulla base delle
proprietà, si usa raggruppare i quark in famiglie secondo lo schema:
u
c
t
d
s
b
L'interazione tra queste 6 particelle (e/o sei antiparticelle), secondo lo
schema della QCD, dà origine all'infinità di adroni oggi solo in parte
investigata.
Ciclo del Carbonio
Il carbonio è l’elemento chimico tipico della materia vivente, della quale si
può dire che costituisca lo scheletro. Il carbonio infatti insieme ad altri
elementi entra a far parte delle proteine e degli acidi nucleici che sono
l'essenza di questa materia ed entra nella costituzione degli zuccheri e dei
grassi, che sono composti di fondamentale importanza nel metabolismo
cellulare.
In natura il carbonio è presente in larghissima quantità sotto forma dì
carbonati netta litosfera, per la maggior parte sotto forma di bicarbonati nella
idrosfera, e di anidride carbonica nell'atmosfera. Rispetto agli altri gas dell'aria
l'anidride carbonica si trova nell'atmosfera in concentrazione quanto mai
ridotta, appena dello 0,03% in media.
Le piante non sono in grado di utilizzare per la loro nutrizione i carbonati
del terreno, ma utilizzano unicamente il carbonio che si trova sotto forma
di CO2 nell'aria o disciolta nell'acqua. La CO2 presente nell’aria o
nell'acqua è trasformata ad opera degli organismi autotrofi per via
fotosintetica o chemiosintetica, in composti organici- tipicamente zuccheri-e
successivamente in altri composti derivati che entrano a far parte della
sostanza vivente o che costituiscono le varie sostanze di riserva. Le
sostanze organicate dalle piante sono utilizzate a loro volta, come alimenti,
dagli animali e da tutti gli altri organismi eterotrofì.
Produzione di ossigeno (02) e azoto (N1)
Dall'aria che respiriamo, che è composta da:
Sostanza
Azoto
Ossigeno
Argo
Anidride carb.
Idrogeno
Volume %
78,03
20,99
0,93
0,03
0,01
Sostanza
Neon
Elio
Cripto
Ozono
Xeno
Volume %
0,0018
0,005
0,0001
0,00006
0,000009
si estraggono, per distillazione frazionata, l'ossigeno e I'azoto.
Un ciclo di produzione dell'ossigeno e dell'azoto comporta le fasi
seguenti:
compressore dell'aria;
depurazione dell'aria (essiccamento e decarbonatazione);
distillazione frazionata dell'aria;
liquefazione e stoccaggio del prodotto finito nei serbatoi;
sistema di controllo ed analisi.
Siti consultati
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Fine
Glossario
• Positroni = particella elementare, detta anche antielettrone di massa
eguale a quella dell’elettrone e di carica eguale ma positiva, esso è
l’antiparticella dell’elettrone, la sua scoperta (1932) si deve a C.D.
Anderson.
• Neutrini = particella fondamentale (simbolo v) di massa nulla, sinora
non misurata. Ipotizzata da W. Pauli nel 1931, sulla sua esistenza fu
basata la teoria delle interazioni deboli di E. Fermi. E’ membro della
famiglia dei leptoni, comprendente tre tipi di particelle (elettrone,
muone, tau) a ciascuna delle quali è associato un tipo diverso di nutrini.
• Fotone = quantità invisibile di energia elettromagnetica. Il fotone
introdotto da Einstein (1905) per spiegare l’effetto fotoelettronico, ha
un’energia pari a E=hv, dove h è la costante di Planck, v è la frequenza
della radiazione.
Glossario
• Gluone: particella subnucleare che si ritiene responsabile
dell’interazioni forti fra i quark.
• Mesoni: particelle subnucleari con massa non nulla e con
spin intero.
• Barioni: particelle subnucleari di spin semintero soggette ad
interazioni forti.
