Le stelle di neutroni

Bruno è curioso:

Questa domanda è più che altro una mia curiosità. Partendo dal presupposto che non sono un esperto e che tutto ciò che so su questo argomento è frutto di spiegazioni e approfondimenti personali, ho un dubbio. Stando a ciò che so, le stelle di neutroni sono tali perché nel collasso del nucleo gli elettroni degli atomi vengono spinti nel nucleo, si "uniscono" (non conosco il termine appropriato) con i protoni e formano neutroni e neutrini. Tuttavia, recentemente alcuni miei amici universitari mi hanno iniziato alla meccanica quantistica. Mi è stato detto che, negli atomi, gli elettroni possono occupare soltanto posizioni discrete e che non possono scendere al di sotto di un dato livello energetico (il più basso che corrisponde tuttavia ad una grande distanza dal nucleo). Se questo è vero, come può un elettrone "entrare" nel nucleo di un atomo nel caso detto prima?

Ecco la mia risposta:

Ma certo che gli elettroni possono «entrare» nel nucleo! Purché ne escano molto rapidamente. Gli elementi di meccanica quantistica che gli «amici universitari» hanno raccontato mostrano che non esistono stati stazionari nei quali la distanza media dell'elettrone sia così piccola da localizzare l'elettrone nel nucleo. Un elettrone atomico non può trovarsi per la maggior parte del tempo nel nucleo — almeno finché rimane un elettrone…

Chissà se gli amici hanno raccontato anche che la meccanica quantistica non assegna all'elettrone un'orbita caratterizzata da un raggio ben definito, ma piuttosto una funzione d'onda che permette di calcolare la distribuzione di probabilità dell'elettrone, assegnando un numero ad ogni regione dello spazio. Tale numero misura la probabilità che l'elettrone si trovi a un dato istante a transitare per quella regione. Ora, la funzione d'onda dello stato fondamentale di ogni atomo, quella che caratterizza di solito l'elettrone più interno, assegna un valore diverso da zero alla probabilità di trovare l'elettrone stesso all'interno del nucleo. Possiamo anche calcolare la velocità media con cui l'elettrone transita per la regione nucleare: ed è così grande, che l'elettrone resta nel nucleo soltanto per un tempo estremamente breve.
(Sempre che si sia capito bene che cosa vuol dire, per un elettrone, «trovarsi» all'interno di una certa regione. Chissà se gli amici lo sanno già. Bisognerebbe chiedere spiegazioni a proposito dell'effetto tunnel, ad esempio…)

Quando un elettrone atomico transita per il nucleo di un atomo pesante, può partecipare a un processo chiamato cattura elettronica o decadimento beta inverso. In questo processo l'elettrone e uno dei protoni del nucleo vengono distrutti, e vengono emessi un neutrone e un neutrino elettronico. Si tratta di un processo regolato dalla interazione nucleare debole e caratterizzato da una probabilità di verificarsi molto piccola, ma non nulla. Quando questo processo avviene, l'intero atomo si trasforma in un atomo con un protone (e un elettrone) in meno e un neutrone in più. Un atomo di alluminio si trasformerà ad esempio in un atomo di magnesio.
La cattura elettronica è il processo attraverso il quale si formano quei giganteschi nuclei atomici che sono le stelle di neutroni. Ma questo, a quanto pare, lo sai già.

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