Concetti Chiave di Fisica Moderna: Relatività, Fotoni, Radiazioni e Forze

Relatività Speciale: Postulati Fondamentali

Un problema fondamentale in fisica nel XIX secolo era che le leggi dell'elettromagnetismo variavano al variare del sistema di riferimento, violando il principio di relatività di Galileo che era alla base della Meccanica di Newton. Così, osservatori in moto relativo avrebbero ottenuto risultati diversi nello studio di fenomeni elettromagnetici. Nel 1905, Einstein conciliò le due teorie (meccanica ed elettromagnetismo) attraverso la sua Teoria della Relatività Speciale, che si basa sui due postulati seguenti:

1. Principio di Relatività

   Tutte le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziale (cioè, per osservatori diversi).

2. Principio della costanza della velocità della luce

   La velocità della luce nel vuoto è una costante universale.

La teoria di Einstein porta a conclusioni che ci impongono di cambiare le concezioni classiche di spazio, tempo, massa ed energia:

• Lo spazio e il tempo non sono assoluti: osservatori inerziali diversi misurano intervalli diversi per lo stesso evento e lunghezze diverse per lo stesso oggetto.
• Nessun corpo può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto.
• La massa e l'energia sono equivalenti, possono essere trasformate l'una nell'altra in base all'equazione E = mc².

Concetto di Fotone e Dualismo Onda-Particella

Per spiegare certi fenomeni di emissione e assorbimento della luce dalla materia, compreso l'effetto fotoelettrico, Einstein riprese la teoria corpuscolare della natura della luce. Egli assunse che l'energia della radiazione elettromagnetica non fosse continua, ma discreta, in modo che un'onda elettromagnetica di frequenza ƒË potesse essere considerata costituita da quanti (o corpuscoli) che viaggiano alla velocità della luce, ciascuno dei quali ha un'energia E = hƒË (dove h è la costante di Planck) e un momento p = h/ƒÉ. Questi quanti furono chiamati fotoni.

La teoria di Einstein non invalida la teoria elettromagnetica della luce. La fisica moderna ha dovuto introdurre il dualismo onda-particella, ammettendo che la luce possieda entrambe le nature, ondulatoria e corpuscolare. Quando la luce interagisce con la materia si comporta come un getto di particelle (fotoni) con energia e momento; quando si propaga o subisce diffrazione o interferenza, la luce si comporta come un'onda caratterizzata dalla sua lunghezza d'onda e frequenza.

Più tardi, de Broglie propose, per ragioni di simmetria, che anche la materia presentasse la dualità onda-particella, in modo che a ogni particella fosse associata un'onda. La lunghezza d'onda associata è piccola su scala macroscopica, in modo che il carattere ondulatorio della materia appare solo su scala microscopica.

Tipi di Radiazioni Nucleari

Ci sono tre tipi, che differiscono per il tipo di particelle emesse e il loro potere di penetrazione:

• Radiazione Alfa

  È costituita da particelle alfa, che sono nuclei di elio costituiti da due protoni e due neutroni (⁴He₂). Il decadimento si verifica quando un nucleo genitore si trasforma in un nucleo figlio che ha due neutroni e due protoni in meno. Le particelle alfa sono cariche positivamente e molto poco penetranti.

• Radiazione Beta

  Consiste anch'essa di particelle, in questo caso elettroni. Questi elettroni non derivano dalla 'corteccia' atomica, ma dalla disintegrazione di un neutrone nel nucleo: un neutrone di un nucleo genitore si trasforma in un protone, un elettrone e una particella neutra chiamata antineutrino. Il nucleo figlio ha quindi un protone in più e un neutrone in meno. La radiazione beta ha una carica negativa e il suo potere di penetrazione è superiore a quello delle particelle alfa.

• Radiazione Gamma

  È di natura elettromagnetica, composta da fotoni. Si verifica perché i nuclei possono trovarsi in diversi stati energetici. Quando un nucleo passa da uno stato eccitato a uno con minore energia, emette un fotone ad alta frequenza. Poiché i fotoni non hanno carica, la radiazione gamma non subisce deviazioni in un campo elettrico o magnetico. La radiazione gamma è la più penetrante.

Interazioni Fondamentali

Tutte le forze della natura si riducono a quattro interazioni fondamentali: nucleare forte, nucleare debole, elettromagnetica e gravitazionale.

• Nucleare Forte

  È la più intensa. Ha un raggio d'azione molto breve (non si manifesta al di fuori del nucleo). Tiene insieme protoni e neutroni che compongono il nucleo degli atomi. I nuclei non sarebbero stabili se non ci fosse tale forza, che è più intensa della repulsione elettrostatica tra i protoni che li compongono.

• Elettromagnetica

  La seconda per intensità. Ha un raggio d'azione illimitato. Agisce su particelle cariche elettricamente e può essere attrattiva o repulsiva. È responsabile del legame tra atomi e molecole nella materia.

• Nucleare Debole

  È la terza per intensità. Come la nucleare forte, ha un raggio d'azione molto breve. È la causa di alcuni decadimenti nucleari, come il decadimento beta.

• Gravità

  È la più debole di tutte. Si verifica tra tutti i corpi dotati di massa. È sempre attrattiva e ha un raggio d'azione illimitato. È responsabile del movimento dei corpi celesti, della caduta dei corpi, delle maree, ecc.