Vi spiego come far entrare sette miliardi di persone in una palla da tennis

MEDICINA ONLINE EMILIO ALESSIO LOIACONO MEDICO CHIRURGO SPORT TENNIS PALLA RACCHETTA GARA Che siamo fatti di atomi credo lo sappiate già tutti; ma lo sapete che gli atomi sono fatti al 99,9999999999% di vuoto? Se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni, tutti i 7 miliardi di abitanti della terra entrerebbero nello spazio di una palla da tennis! Ma se siamo fatti di atomi, e gli atomi sono fatti quasi solamente di vuoto, come mai se ci sediamo sulla sedia non cadiamo letteralmente per terra? Cominciamo dal principio!

Com’è fatto un atomo?

L’atomo (dal greco ἄτομος cioè “indivisibile”) è una struttura intorno alla quale è organizzata la materia nel mondo fisico. Più atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali protoni, neutroni ed elettroni. Come potete vedere nell’immagine a destra, al centro dell’atomo c’è un nucleo in cui è concentrata la gran parte della massa dell’intero atomo. Tale nucleo è formato dai protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica). Ad una certa distanza dal nucleo c’è una zona in cui si ha una certa probabilità di trovare uno o più elettroni (carichi negativamente) che possiedono il resto della massa dell’atomo e ruotano all’interno degli orbitali. Gli elettroni hanno una massa estremamente più piccola rispetto al nucleo, per capirci il nucleo è circa 1800 volte più grande di un elettrone.

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Atomi piccolissimi e con enormi distanze tra nucleo ed elettroni

I concetti veramente importanti ai fini di questo articolo sono due: un atomo è piccolissimo; la distanza tra nucleo ed elettroni all’interno di un atomo è, in relazione alle dimensioni dell’atomo stesso, enormemente elevata. Eccovi un bell’esempio – tratto da “Il Tao della Fisica” di Fritjof Capra – che chiarisce le dimensioni degli “indivisibili”:
Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
Questo per dire che la grandezza di una arancia sta alla grandezza di un suo atomo; come la grandezza del pianeta terra sta alla grandezza di una ciliegia. Le distanze elevatissime tra nucleo ed elettroni si possono comprendere con un altro esempio: se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro!

Energia

Insomma siamo fatti di tanti piccoli atomi che però sono fatti quasi di nulla. Com’è possibile che due corpi che si scontrano si respingano, se sono entrambi fatti praticamente di… niente? Il motivo è il seguente: due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico. Quindi quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi automaticamente, come due calamite di polo opposto (principio di esclusione di Pauli). Scritto diversamente: le molecole che compongono la materia non possono essere spinte arbitrariamente una contro l’altra, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola. Quando ci sediamo su una sedia pensiamo di toccarla appoggiando il nostro corpo sulla sua superficie, ma in realtà stiamo semplicemente sospesi a meno di un nanometro di distanza dalla sedia, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono essa ed il nostro corpo. Sono quindi le forze elettriche che entrano in gioco tra gli elettroni delle varie molecole a renderci “solidi” e permetterci di occupare un dato spazio.

Siamo fatti di vuoto

Prima di chiudere voglio insistere su quanto siamo “vuoti dentro” (fisicamente, metaforicamente è un altro discorso!). Ciò appare chiaro facendo un conto: visto che l’atomo ha un raggio di circa 10^-10 metri e il nucleo ha un raggio di 10^-14 metri, a quanto corrisponde la percentuale di spazio vuoto?

1 – (raggioNucleo/raggioAtomo)^3 = 0,999999999999 cioè 99,9999999999% (ci sono ben dieci ’9′ dopo la virgola).

Per capirci: il calcolo che ho fatto nasce dal rapporto tra “volume totale dell’atomo” (raggioAtomo^3 per 4/3 * ∏) e “volume del nucleo” (raggioNucleo^3 per 4/3 * ∏). Semplificando si trova la percentuale. Il calcolo è solo una stima, visto che gli atomi sono molti e hanno tutti raggi diversi, inoltre ogni atomo può avere tanti elettroni; tuttavia il concetto è chiaro: siamo fatti al 99,9999999999% di niente (e il valore di vuoto aumenta quando consideriamo il cervello di certe persone!). Questo ci riporta al pensiero alla base di questo articolo: se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni degli atomi dell’intera umanità, tutti i 7 miliardi di abitanti della terra entrerebbero comodamente nello spazio di una palla da tennis, in barba alla sovrappopolazione!