Seconda rivoluzione industriale tesina

IL SOLE

Il Sole è la stella del nostro sistema solare da cui riceviamo costantemente luce e calore.

È una sfera gigantesca con il raggio di circa 70000 Km. Il sole ruota intorno ad un

proprio asse, ma con velocità diversa a seconda della latitudine: minore ai poli e

crescente verso l’equatore. La rotazione dura 25 giorni all’equatore, mentre ai poli dura

più di 30 giorni.

Il Sole è una potentissima fonte di energia, che viene

irradiata senza posa in ogni direzione dello spazio. La

struttura del Sole è formata da una serie di cerchi

concentrici gassosi non ben delimitati e sono: il

nucleo, la fotosfera , la cromosfera e la corona.

Il nucleo: è il punto dove viene prodotta l’ energia

che ha origine da reazioni nucleari poiché si trovano

nuclei di atomi di idrogeno che si fondono tra loro.

Più esternamente si trovano la zona di irraggiamento

e la zona convettiva, attraverso le quali l’energia

viene trasferita a una zona più esterna, chiamata

fotosfera.

La fotosfera: è l’involucro che irradia quasi tutta la luce solare e corrisponde al disco

luminoso del Sole. La superficie non è liscia ma presenta una struttura “a granuli” sulla

quale è possibile trovare chiazze scure , dette macchie solari.

La temperatura media superficiale è di 5512°C. La fotosfera è circondata dalla

cromosfera.

La cromosfera: è un involucro trasparente di gas incandescente con uno spessore di circa

10000 Km. È fatta di idrogeno incandescente: da essa si staccano a volte immense lingue

di fuoco chiamate protuberanze.

La corona: è la parte più esterna dell’atmosfera solare ed è formata da un involucro di

gas ionizzati. La sua luminosità è così bassa che la corona si può osservare solo durante

un’eclissi totale. Nella parte più esterna rimangono da esaminare due vistosi aspetti: le

protuberanze e i flares ( o brillamenti).

Le protuberanze sono grandi nubi filamentose di idrogeno che si innalzano dalla

cromosfera e penetrano ampiamente nella corona. I flares sono violentissime esplosioni

di energia, veri e propri lampi di luce intensissimi.

La composizione del Sole è costituita dal 98% di idrogeno e di elio mentre il 2 % di

elementi più pesanti.

ENERGIA SOLARE

Il fisico scozzese John Waterston,interessato a determinare l'età del Sole,scoprì che se

l'astro fosse stato alimentato da una combustione,si sarebbe esaurito in 20mila anni.

All'epoca i geologi avevano già prove del fatto che la Terra aveva vari milioni di anni e

così nel 1853 Waterston ipotizzò che il Sole potesse essere riscaldato dall'impatto

continuo di meteoriti,un'idea già

avanzata dallo scienziato tedesco

Julius von Mayer nel 1848.Ma le

meteoriti avrebbero riscaldato il Sole

soltanto per un milione di

anni.Helmholtz tornò alle idee del

filosofo tedesco Immanuel Kant e del

matematico e astronomo francese

Pierre-Simon Laplace,secondo cui il

sole si era formato per la contrazione

di un'enorme nube di gas,una teoria

oggi considerata corretta. Asserì nel

1854 che fu la compressione della

nube di gas a surriscaldare il

William Thomson (Lord Kelvin) Sole,idea difesa dal fisico britannico

William Thomson ( Lord Kelvin ) fino agli anni novanta dell'Ottocento.

Kelvin calcolò che il Sole non potesse avere più di 40 milioni di anni,mettendosi in

contrasto con i geologi e i biologi dell'epoca.

Il geologo statunitense Thomas Chrowder Chamberlin ipotizzò nel 1899 che all'interno

del Sole potessero esistere “fonti ignote di calore”,energie di “natura atomica o ultra-

atomica”.Kelvin rifiutò questa idea,ma la scoperta ,nel 1903,di una strana proprietà

dell'elemento chimico radio,isolato da poco dai fisici francesi Marie e Pierre Curie,rese

accettabile l'idea di Chamberlin.

Questa sostanza aveva una misteriosa fonte di energia che la manteneva calda.I fisici

britannici Ernest Rutherford e Frederick Soddy compresero presto che si trattava della

radioattività : il decadimento degli atomi che si scindono in atomi più piccoli.

La massa degli atomi di nuova formazione è minore di quella degli atomi che si erano

scissi,e questa minuscola differenza di massa si trasforma in energia secondo la formula

2.

einsteiniana per l'equivalenza tra massa ed energia : E = mc

Nel frattempo,analizzando lo spettro solare,gli astronomi avevano identificato la

composizione chimica dell'atmosfera solare,cioè lo strato gassoso più esterno.Il sole

appariva come un'immane palla di idrogeno con piccole quantità di elementi più

pesanti,come l'elio,l'ossigeno e il carbonio.Si capì che nel Sole non era presente

abbastanza uranio o altri elementi pesanti per poter produrre mediante reazioni di

fissione nucleare tutta l'energia che emette.

Se i nuclei atomici si possono spezzare in nuclei più piccoli,perché quelli piccoli non

poterebbero “fondersi” in nuclei più grandi ? È la domanda che si pose il chimico

americano William Draper Harkins,che stava studiando i modi in cui i nuclei atomici più

grandi,come quelli dell'elio,si potessero formare a partire da nuclei di idrogeno.

Nel 1915 formulò l'ipotesi che la

fusione degli atomi di idrogeno per

formare atomi di elio avrebbe anche

prodotto calore seguendo la formula

di Einstein. All'epoca si riteneva che

i nuclei degli atomi fossero formati

solo da protoni. Dato che il nucleo

dell'elio ha massa quadrupla rispetto

a quello dell'idrogeno,ritenne che

dovessero fondersi quattro nuclei di

idrogeno per darne uno di elio,e che

la massa dell'atomo di elio così

formato fosse lievemente inferiore ( 0,77 per cento ) alla somma delle masse degli atomi

di idrogeno.

BOMBA AL NEUTRONE

Era però difficile spiegare la stabilità dei nuclei atomici più pesanti dell'idrogeno

assumendo che fossero composti solo di protoni,i quali si sarebbero respinti a vicenda

avendo carica elettrica uguale. Nel 1920 Harkins e indipendentemente Rutherford

previdero l'esistenza di una particella ignota,elettricamente neutra,che dovesse

mantenere uniti i protoni nel nucleo : era il neutrone.

James Chadwick scoprì questa particella nel 1932.L'esistenza del neutrone risolveva il

problema della disparità tra il numero atomico di un atomo (cioè il numero di protoni del

nucleo) e il numero di massa ( il numero di protoni e neutroni ).

Questa scoperta rese possibile sviluppare una teoria per le reazioni di fusione,e nel 1939

il fisico tedesco Hans Bethe ( e,indipendentemente,Carl von Weizsäcker)determinò i

meccanismi di fusione nucleare che convergono l'idrogeno in elio nel Sole e nelle altre

stelle. Per le stelle di massa ridotta,come il Sole,Bethe

mise a punto il meccanismo protone-protone : i

protoni (nuclei di idrogeno) all'interno del Sole

collidono tra loro per via della temperatura

elevatissima. Inoltre un fenomeno quantistico,il

cosiddetto effetto tunnel,contribuirebbe a

superare la repulsione elettrostatica tra i

protoni .I nuclei di elio che si formano,composti

da due protoni,non sopravvivrebbero,ma Bethe

scoprì che se uno dei protoni si trasforma in un

neutrone – reazione nota col nome di

“decadentismo beta” - i nuclei,formati da due protoni e due neutroni,non si

decompongono. I nuclei di elio risultanti sarebbero più leggeri di quelli di idrogeno che

li hanno formati,e la differenza di massa si converte in calore. Questa era comunque solo

una teoria,e sulle prime pareva che non sarebbe mai stato possibile scoprire se questa

ipotesi di meccanismo protone-protone fosse corretta. Ma poi i fisici nucleari ebbero un

colpo di fortuna. Apparve in scena una novità : il neutrino.

I fisici avevano scoperto che c'era una particella misteriosa che portava via energia in

certi tipi di radioattività,come il decadentismo beta ; in questa reazione un neutrone di un

nucleo atomico può trasformarsi in un protone ed emettere una particella beta ( un

elettrone ).

IL NEUTRINO

Il fisico austriaco Wolfgang Pauli,uno dei pionieri della meccanica quantistica,ipotizzò

nel 1930 che ci fosse una particella ignota,priva di massa,emessa insieme alla particella

beta.Il fisico nucleare italiano Enrico Fermi la battezzò neutrino,nel senso di “piccolo

neutrone”.Ma a differenza dei neutroni,i neutrini non interagiscono quasi per niente con

la materia.La loro esistenza fu confermata sperimentalemente solo nel 1955.

GUARDARE DENTRO AL SOLE

Si riteneva che un tipo di decadimento beta,quello che trasforma i protoni in neutroni ed

è necessario per formare nuclei di elio,si verificasse in una reazione a catena all'interno

del Sole : si dovrebbero così formare neutrini in gran quantità.

Raymond David,in chimico fisico americano,propose nel 1955 che – dato che questi

neutrini non vengono fermati quasi per niente dagli strati esterni del Sole – catturandoli

possiamo “vedere” l'interno del Sole.Il fisico statunitense Jhon Bahcall aveva calcolato

che ogni secondo attraverso una nostra unghia passano 65 miliardi di neutrini emessi dal

Sole,ma osservarli è molto più complicato.

Devis decise di usare un'idea per catturare i neutrini,avanzata dal fisico italiano,poi

cittadino britannico,Bruno Pontecorvo : i neutrini che colpiscono atomi di cloro li

trasformano in atomi radioattivi di argon.

Nel 1967 Davis completò un enorme rivelatore di

neutrini,costruito a 1500 metri sotto terra per

schermarlo dalle radiazioni cosmiche,nella miniera

d'oro dismessa di Homestake,nel Dakota del Sud.Era

composto da un serbatoio che conteneva quasi

400mila litri di un liquido per il lavaggio a secco

( tetracloroetilene ),che contiene gli atomi di cloro

che devono catturare i neutrini.I primi

risultati,pubblicati nel 1968,furono misteriosi : Davis

aveva rilevato solo un terzo delgi atomi radioattivi di

A 1500 metri sotto terra,questo argon previsti da Bahcall.

serbatoio era pieno di quasi

400mila litri di

tetracloroetilene,nella miniera

d'oro di Homestake,nel

Dakota,per individuare gli

sfuggenti neutrini

Per più di vent'anni Davis continuò caparbiamente a modificare e affinare il suo

rivelatore di neutrini,ma invano : i suoi risultati continuavano a fallire di un fattore pari a

tre.Il problema divenne noto come “deficit di neutrini solari” e fu chiaro che o il

rivelatore era difettoso o i calcoli di Bahcall erano sbagliati.

Nel 1967,prima che Davis pubblicasse i risultati del suo rivelatore di neutrini,Bruno

Pontecorvo avava previsto che i neutrini solari potessero cambiare tipo

( sapore ).L'esperimento di Homestake rilevava esclusivamente i neutrini

elettronici,mentre Pontecorvo sosteneva che una buona parte dei neutrini elettronici

– quelli prodotti all'interno del Sole – si trasformava in neutrini tautonici o muonici

mentre procedevano verso la Terra.

Dato che questi neutrini non interagiscono con gli atomi di cloro nel rivelatore di

Davis,il numero di neutrini individuati sarebbe stato ridotto. Nel frattempo i fisici

cominciarono a mettere

seriamente in dubbio i

calcoli di Bahcall,che

fu finalmente riabilitato

nel 2001,quando si

resero disponibili i dati

del Sudbury Neutrino

Observatory (SNO),due

chilometri sotto terra in

una miniera di nichel

nell'Ontario,in Canada.

Il Sudbury Neutrino Observatory ( SNO )

L'SNO usava un enorme serbatoio di acqua pesante con cui si potevano rilevare tutti e

tre i tipi di neutrini.Non solo confermò i risultati di Bahcall sul flusso di neutrini,ma

dimostò anche che i neutrini sono dotati di massa.

Appena 71 anni dopo che furono ipotizzati,conosciamo i neutrini a sufficienza per capire

come il Sole ci fornisca energia.