Quanto vuota è la materia?

Molto vuota.
Estremamente vuota.

Consideriamo i costituenti elementari, gli atomi, che solitamente si aggregano in molecole per formare la materia che conosciamo. Sono costituiti da un nucleo che rappresenta quasi l’intera massa, sotto forma di  protoni (carichi positivamente) e neutroni, con massa quasi uguale a quella dei protoni ma privi di carica, e da elettroni molto leggeri (1/2000 della massa del protone) carichi negativamente che ‘orbitano’ attorno al nucleo. In condizioni normali, le cariche elettriche dei protoni e degli elettroni dell’atomo ‘neutro’ si bilanciano a vicenda. Tutte le aggregazioni tra atomi avvengono grazie alle forze di attrazione tra cariche diverse (mentre, come sappiamo, cariche uguali si respingono, come nel caso delle forze magnetiche). Nel nucleo, i protoni, pur avendo la stessa carica positiva e respingendosi, sono tenuti insieme da una forza estremamente intensa detta forza nucleare forte.

Figure 1 – Esempio di uno schema molto impreciso di un atomo (fonte: freepic.com)

La Figura 1 è un tipico esempio di rappresentazione errata di un atomo, per molte ragioni, ma due sono fondamentali: le particelle non sono ‘palle’ ma densità di probabilità, ovvero ‘nuvole allungate’ anziché ‘palle’; le proporzioni sono mostruosamente fuorvianti. Questo ci porta all’argomento di questo post. Consideriamo l’atomo più piccolo e semplice, l’atomo di idrogeno neutro H (composto da 1 protone e 1 elettrone), e l’atomo di ferro neutro Fe (l’isotopo più comune è composto da 26 protoni, 30 neutroni e 26 elettroni). La massa di Fe è quindi circa 56 volte quella di H. Per le misurazioni atomiche, utilizziamo gli angstrom (Å, dal nome del fisico svedese Anders Jonas Ångström, 1814-1874), pari a un decimo di miliardesimo di metro (10¯¹º m). Consideriamo anche solo i nuclei e la distanza minima degli elettroni dal nucleo, ovvero il raggio della loro orbita più interna (quindi la ‘dimensione’ dell’intero atomo è molto maggiore). Alcune misurazioni effettive di queste particelle sono approssimativamente le seguenti:

Quindi tra il nucleo e l’orbita più interna degli elettroni ci sono circa quattro ordini di grandezza! Questo è spazio vuoto. Ovviamente, ci sono campi elettrici che tengono insieme tutto, ma non ci sono particelle massicce, legate o meno, in quello spazio, e non possono essercene in nessun atomo, in normali condizioni della materia.

Quattro ordini di grandezza significa che se il nucleo di Fe avesse le dimensioni di una prugna (5 cm), ci sarebbe spazio vuoto fino a 1250 metri di distanza. Per H, se il nucleo avesse le dimensioni di un acino d’uva (17 mm), ci sarebbe spazio vuoto fino a 500 metri di distanza.

Ciò che permette alla materia di legarsi allo stato solido sono le forze di legame elettrico tra gli atomi, dovute alla presenza/assenza di elettroni nei gusci atomici più esterni, ma questa è un’altra storia.
Questi spazi vuoti si comprimono solo in condizioni estreme, ad esempio quando la materia degenera in stelle che si trasformano in nane bianche o stelle di neutroni (quando la forza di radiazione verso l’esterno cessa e la gravità comprime la stella), raggiungendo densità inimmaginabili (un acino d’uva avrebbe una massa di miliardi di tonnellate). Ma anche questa è un’altra storia.