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 portatrici 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 particelle reali (elettroni, protoni, neutroni, quark), non possono essere rilevate direttamente
negli acceleratori di particelle. Gli scienziati hanno dimostrato la loro esistenza perché 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 natura. 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 macroscopica, hanno una quantità di cariche positive uguale alla quantità di cariche negative 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 attraverso 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 radioattivo. 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):
U92 → 234Th90 + 4He2
238
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):
Co27 → 60Ni28 + e + ne
60
Il decadimento gamma viene prodotto da nuclei pesanti che però in questo caso emettono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia. Questa forza agisce sulle particelle
materiali (neutroni ecc.) e non agisce sulle particelle virtuali (fotoni ecc.). Le particelle 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 forza 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 repulsione tra due cariche positive (protoni). La particella virtuale responsabile di questa
forza è il gluone (dall’inglese glue = colla).
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