In poche parole, i fisici ora sono sicuri di dire che ci sono quattro cose fondamentali che accadono:

1. Protoni e neutroni si attaccano insieme. (L'”interazione nucleare forte”.)
2. I neutroni a volte “cadono a pezzi” in un protone, un elettrone e un antineutrino. A volte questo può accadere anche al contrario. (L'”interazione nucleare debole”, conosciuta anche come “decadimento beta” o “radioattività”.)
3. Le cariche positive respingono altre cariche positive e attirano quelle negative. (L'”interazione elettromagnetica”, conosciuta anche come “chimica” e “luce”.)
4. Le cose cadono. (“L’interazione gravitazionale”.)

(Ho detto che queste erano in ordine di “forza quotidiana decrescente”, ma non è molto preciso dato che queste cose scalano diversamente con la distanza ecc. Ma questo è l’ordine approssimativo in cui dovreste pensare al problema che vi interessa.)

Tutto il resto a cui siete abituati è causato da queste 4 interazioni fondamentali. Per esempio, quando sei seduto su una sedia, segretamente la forza che ti tiene su è una forza di nuvole di elettroni intorno ai nuclei che si respingono l’un l’altro, quindi queste sono principalmente le forze “elettromagnetiche” in gioco che si oppongono alle forze “gravitazionali” che ti tirano giù.

C’è anche una piccola sottigliezza che queste 4 interazioni non coprono completamente, ma ogni fisico la conosce: dice che “due particelle identiche non possono rimanere in uno stato identico”. Questo di solito significa che quelle particelle devono occupare stati di energia sempre più alti. Si scopre che gran parte della struttura della tavola periodica deriva da questa regola! Questa regola in definitiva dice che il numero di colonne che si aggiunge (quando si aggiungono colonne alla tavola periodica) deve essere il doppio del prossimo numero dispari: così si vede che si inizia aggiungendo 2 colonne, poi si aggiungono 6 colonne, poi si aggiungono 10 colonne, poi si aggiungono 14 colonne; la fisica dice che il prossimo numero di colonne da aggiungere sarebbe 18 e che il modello si vede quando si divide per 2, si aggiunge prima una coppia, poi tre coppie, poi cinque coppie, poi sette coppie: numeri dispari crescenti. E questo è solo perché ogni nuovo elettrone deve (a) orbitare più lontano e (b) possibilmente girare più velocemente.

Quindi, quando un nucleo diventa sempre più grande, succede una storia simile. I neutroni e i protoni cooperano grazie all’interazione nucleare forte. A loro, si scopre, piace molto attaccarsi l’un l’altro! Ma poi subentra il secondo effetto: se un nucleo ha troppi protoni, questi devono trovarsi in stati ad alta energia molto spinosi nel nucleo, perché gli stati a bassa energia sono già occupati da altri protoni! Ma ci sono stati di neutroni di energia inferiore che non sono occupati. Ad un certo punto diventa energeticamente favorevole per un protone di invertire il beta-decadimento in un positrone più un neutrone più un neutrino, in modo che il neutrone possa cadere in quello stato di energia più basso.

Quindi è questo che fanno i neutroni nel nucleo: sono “appiccicosi” come i protoni, ma sono particelle diverse che possono occupare gli altri stati.

Ora si potrebbe anche pensare: “oh, quei protoni si respingono anche tra loro, a causa dell’interazione elettromagnetica”. E questo è vero, ma è un effetto più debole di entrambi. Questo effetto fondamentalmente si bilancia ad un certo numero atomico, che si dà il caso sia il ferro. Tutti gli atomi più piccoli sono spinti dalla forza nucleare forte a volersi “fondere” insieme in atomi più grandi, cercando di essere ferro. E tutti gli atomi più grandi sono spinti più dalla repulsione elettromagnetica a volersi “fissionare” in atomi più piccoli. (Ma naturalmente fino a quando si arriva a numeri atomici intrinsecamente instabili come l’uranio, si possono ancora avere piccoli stati stabili di atomi più grandi del ferro, dove se si spara un neutrone nel nucleo potrebbe cadere a pezzi, ma per il momento si sta dimenando in modo sicuro)

Vedi anche: Gli articoli di Wikipedia sui nuclidi stabili e sulle energie di legame nucleare.

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