Lo strano caso dell’elio-4

0 Flares Twitter 0 Facebook 0 Filament.io 0 Flares ×

Non tutti sanno che oltre i tre stati convenzionali della materia ci sono altri stati che si presentano in condizioni estreme. Uno di questi stati esotici e affascinanti è lo stato superfluido; esso si presenta a temperature bassissime vicino allo zero assoluto e ha caratteristiche incredibili, come la totale assenza di quane di attrito dovuto ad essa. Ad esempio, un corpo immerso nell’acqua subisce una resistenza da parte di quest’ultima; se fosse immerso in superfluido non ne risentirebbe. Inoltre la viscosità influisce anche sulla capacità del fluido di scorrere quindi un superfluido potrebbe scorrere all’infinito in un tubo chiuso.

Altra caratteristica dei superfluidi è la conducibilità termica altissima: è impossibile generare un gradiente termico all’interno di un superfluido.  Inoltre in un superfluido il calore non si propaga normalmente come in qualunque altra sostanza, ma come un’onda che attraversa il fluido. Applicazioni pratiche di questa caratteristica sono per esempio termometri per temperature dell’ordine di 0,1K. Piccolo accenno alla scala Kelvin: gli scienziati, che devono sempre fare gli alternativi, non usano la scala centigrada ma la scala kelvin. La conversione tra scala centigrada e kelvin è molto semplice: . quindi 0,1K equivale a -273.5°C. inoltre, per restare in tema con il precedente articolo i superfluidi contengono entropia pari a 0.

Telespettatrice entusiasta: <“Oh mio Dio ma è fantastico, questi superfluidi hanno caratteristiche incredibili! Dove posso comprarne un po’?”>

Io (conduttore della trasmissione): <“Signora, perché spendere soldi per comprare un superfluido da un rivenditore, quando può farlo semplicemente a casa sua?”>

Ecco la ricetta facile e veloce per ottenere un superfluido fatto in casa:

per prima cosa abbiamo bisogno di una sostanza che se raffreddata si trasformi in un superfluido, perché non tutti i gas lo fanno. Un gas adatto al nostro scopo potrebbe essere l’elio. Mi raccomando Signore, dal vostro venditore di gas nobili di fiducia specificate che vi serve l’elio-4 e non l’elio-3. Se non vivete in Molise e quindi non avete un venditore di gas nobili sotto casa potrete sempre prendere l’elio direttamente dall’aria. In tal caso prendete 1000000 di metri cubi d’aria, prendete delle pinzette molto piccole e cominciate a separare uno ad uno gli atomi di elio dagli altri mettendoli in un apposito contenitore ermetico. Dal vostro milione di metri cubi d’aria dovreste riuscire ad ottenere, se siete meticolosi, più di mezzo chilo di elio purissimo IGP. A questo punto mettete l’elio in congelatore, probabilmente dovrete abbassarlo un pochino: di solito i congelatori sono impostati su -20°C voi abbassatelo fino a -270.961°C (mi raccomando i decimali) che è la temperatura di transizione dell’elio-4 da fluido a SUPERfluido. Tenetelo lì per una notte et voilà ecco dell’ottimo elio superfluido.

Come? Il vostro surgelatore non arriva a quella temperatura? Allora… Provate a soffiarci sopra, con la minestra funziona… Comunque credo sia arrivato il momento di comprare un nuovo surgelatore.

Con questo piccolo e deliziosamente stupido intermezzo ho ribadito una caratteristica molto importante che accomuna tutti i superfluidi: sono dannatamente freddi. Ma c’è un motivo se lo sono: tutte queste strane proprietà sono dovute a un comportamento quantistico che si presenta su scala macroscopica. L’elio-4 è formato da due protoni, due neutroni e due elettroni, a causa di alcune caratteristiche di queste particelle, questo isotopo può essere definito un bosone (bosoni e fermioni sono due categorizzazioni delle particelle, i bosoni hanno spin intero i fermioni frazionario, per esempio ± 1/2). I bosoni quando raffreddati tendono a occupare tutti lo stesso livello energetico (in barba a Pauli) e in questo modo è come se tutte le particelle di quel sistema si ordinassero e passassero su una “corsia preferenziale” aumentando moltissimo la loro libertà di movimento e quindi annullando la viscosità. Ma non tutti i materiali superfluidi sono bosoni, per esempio l’elio-3 viene definito un fermione. Ma esso riesce a sopperire a questo problema con un meccanismo chiamato accoppiamento di Cooper. Questo fenomeno, molto affascinante, era già stato visto in un altro tipo di materiali molto particolari: i superconduttori. Esso consiste nell’accoppiamento di due fermioni così che insieme possano essere considerati un bosone. Quindi nell’elio-3 due atomi si legano, si comportano come bosoni e quindi vanno anche loro a occupare tutti lo stesso livello energetico.

Questo meccanismo può avvenire solo a temperature bassissime, perché normalmente l’agitazione termica degli atomi tenderebbe a distruggere le coppie. Questa temperatura per esempio nell’elio-3 è 0.002K cioè solo due millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Ma la più incredibile caratteristica dei superfluidi è la capacità di uscire da soli da un contenitore se non chiuso. Come se un bicchiere d’acqua si svuotasse autonomamente e ritrovaste tutta l’acqua sul tavolo e il bicchiere vuoto. Questo comportamento è talmente assurdo che i loro scopritori, Pëtr Leonidovič Kapica e John F. Allen, quando lo osservarono per la prima volta credettero di avere le Catturaallucinazioni e corsero in giro per tutto l’edificio alla ricerca di qualcuno, cosi da fargli vedere il fenomeno e avere conferma di ciò che avevano osservato. Questo fenomeno che è rimasto inspiegato per molti anni è dovuto alla formazione di domini di velocità. Le particelle di elio superfluido tendono a muoversi in linea retta, queste arrivano alla parete del contenitore e lì vengono spinte da altre particelle e così via fino a raggiungere il bordo del contenitore e poi da lì scendono di nuovo lungo le pareti e se il contenitore è sospeso allora si formerà un accumulo sul fondo e comincerà a gocciolare.

Bello vero il mondo dell’incredibilmente freddo? Inoltre fa sorridere pensare che uno dei campi di ricerca più avanzati si concentri su lo studio di un gas con cui noi riempiamo i palloncini. A volte anche gli oggetti più comuni e banali possono rivelarsi straordinari se indagati nelle giuste condizioni e mi raccomando, tappate sempre i contenitori dei vostri superfluidi se no sporcate tutta la cucina di elio e Cracco si arrabbia…

 

Precedente Viaggio nella Meccanica Quantistica (Parte 1) Successivo Curiosity#1: 7 piccole curiosità che trovano risposta grazie alla scienza

One thought on “Lo strano caso dell’elio-4

I commenti sono chiusi.