Cos’è un atomo e come si forma?

Richard Feynman, un famoso fisico teorico vincitore del Premio Nobel, affermò che se potesse tramandare alle generazioni future solo un’informazione scientifica, sarebbe che tutte le cose sono fatte di atomi.

Comprendere come si formano gli atomi è una domanda fondamentale e importante, poiché essi costituiscono tutto ciò che ha massa.

La questione sull’origine degli atomi richiede molta fisica per essere risposta completamente – e anche in quel caso, i fisici hanno solo ipotesi plausibili per spiegare come si formano alcuni atomi.

Cos’è un atomo?

Un atomo consiste in un nucleo pesante, composto da particelle chiamate protoni e neutroni, attorno al quale orbitano particelle più leggere chiamate elettroni.

Ogni elettrone ha una carica negativa unitaria, ogni protone ha una carica positiva unitaria, mentre i neutroni sono privi di carica. Un atomo ha lo stesso numero di protoni ed elettroni, quindi è neutro – non ha carica complessiva. Attualmente, la maggior parte degli atomi nell’universo appartiene ai due tipi più semplici: l’idrogeno, che ha un protone, zero neutroni e un elettrone; e l’elio, che ha due protoni, due neutroni e due elettroni. Naturalmente, sulla Terra esistono molti altri atomi altrettanto comuni, come il carbonio e l’ossigeno, ma ne parleremo tra poco.

Un elemento è ciò che gli scienziati chiamano un gruppo di atomi tutti identici, perché hanno lo stesso numero di protoni.

Quando si formarono i primi atomi?

La maggior parte degli atomi di idrogeno ed elio nell’universo si formò circa 400.000 anni dopo il Big Bang, il nome che gli scienziati danno all’inizio dell’universo, avvenuto circa 14 miliardi di anni fa.

Perché si formarono in quel momento? Gli astronomi sanno, osservando stelle lontane che esplodono, che le dimensioni dell’universo sono aumentate dal Big Bang in poi. Quando si formarono i primi atomi di idrogeno ed elio, l’universo era circa 1.000 volte più piccolo di adesso.

E basandosi sulla loro comprensione della fisica, gli scienziati ritengono che l’universo fosse molto più caldo quando era più piccolo.

Prima di quel momento, gli elettroni avevano troppa energia per stabilizzarsi in orbite attorno ai nuclei di idrogeno ed elio. Quindi, gli atomi di idrogeno ed elio poterono formarsi solo quando l’universo si raffreddò a circa 5.000 gradi Fahrenheit (2.760 gradi Celsius). Per ragioni storiche, questo processo è chiamato in modo fuorviante “ricombinazione” – “combinazione” sarebbe più descrittivo.

I nuclei di elio e deuterio – una forma più pesante di idrogeno – si formarono ancora prima, solo pochi minuti dopo il Big Bang, quando la temperatura superava 1 miliardo di F (556 milioni di Celsius). Protoni e neutroni possono collidere e formare nuclei come questi solo a temperature elevatissime.

Gli scienziati ritengono che quasi tutta la materia ordinaria nell’universo sia composta per il 90% da atomi di idrogeno e per l’8% da atomi di elio.

Come si formano gli atomi più massicci?

Dunque, gli atomi di idrogeno ed elio si formarono durante la ricombinazione, quando la temperatura più bassa permise agli elettroni di orbitare. Ma tu, io e quasi tutto sulla Terra siamo fatti di atomi molto più massicci del semplice idrogeno ed elio. Come si formarono questi atomi?

La risposta sorprendente è che gli atomi più massicci si formano nelle stelle. Per creare atomi con più protoni e neutroni uniti nel nucleo sono necessarie collisioni ad alta energia come quelle che avvengono in ambienti estremamente caldi. L’energia richiesta per formare un nucleo più pesante deve essere sufficiente a superare la forza elettrica repulsiva tra cariche positive, come due protoni. Protoni e neutroni hanno inoltre un’altra proprietà – una sorta di carica diversa – abbastanza forte da legarli una volta che si avvicinano moltissimo. Questa proprietà si chiama forza nucleare forte, e il processo che unisce queste particelle è chiamato fusione.

Gli scienziati credono che la maggior parte degli elementi dal carbonio al ferro si fondano in stelle più massicce del nostro Sole, dove la temperatura può superare 1 miliardo di F (556 milioni di C) – la stessa temperatura dell’universo quando aveva solo pochi minuti. Ma persino nelle stelle calde, gli elementi più pesanti del ferro e del nichel non si formano. Questi richiedono energia extra, perché gli elementi più pesanti si spezzano più facilmente.

In un evento drammatico chiamato supernova, il nucleo interno di una stella massiccia collassa improvvisamente quando esaurisce il combustibile. Durante la potente esplosione risultante, si formano elementi più pesanti del ferro che vengono espulsi nell’universo.

Gli astronomi stanno ancora studiando i dettagli di altri fenomeni stellari straordinari che formano atomi più grandi. Per esempio, la collisione di stelle di neutroni può rilasciare enormi quantità di energia – ed elementi come l’oro – prima di formare buchi neri.

Comprendere come si formano gli atomi richiede solo un po’ di relatività generale, oltre a fisica nucleare, delle particelle e atomica. Ma a complicare le cose, c’è altra materia nell’universo che non sembra affatto composta da atomi normali, chiamata materia oscura. Gli scienziati stanno ancora indagando su cosa sia la materia oscura e su come possa formarsi.