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0444. Perchè il campo elettromagnetico diminuisce con la distanza?

Secondo il modello standard, l’interazione elettromagnetica è mediata dal bosone fotone che avendo massa zero ha range infinito ed una sua energia E=vh/2π. L’intensità dell’interazione varia macroscopicamente come 1/r2. Da cosa è determinata questo indebolimento ossia riduzione della sua energia? Si riduce perché ceduta alle particelle virtuale del vuoto che ne schermano l’effetto? Se cosi fosse il fotone potrebbe partire come un gamma e ridursi, ad esempio, ad un fotone infrarosso.
Franco Giare 

sem esperto giallo

Le interazioni fondamentali note al momento sono quattro: l’interazione gravitazionale, l’interazione elettromagnetica, l’interazione forte e l’interazione debole . Per almeno tre di esse (interazione elettromagnetica, debole e forte) il meccanismo di base dell’interazione viene descritto attraverso lo scambio di una particella mediatrice – il cosiddetto bosone vettore icona_glossario – che veicola l’interazione tra le particelle sensibili ad essa. In particolare, il fotone media l’interazione elettromagnetica, i bosoni W e Z (l’osservazione sperimentali dei quali ha portato il fisico italiano Carlo Rubbia al conseguimento del premio Nobel nel 1984) quella debole e i gluoni l’interazione forte. L’estensione di questo meccanismo all’interazione gravitazionale attraverso l’introduzione di un mediatore chiamato gravitone è ancora oggetto di studio. La sensibilità o meno di una particella ad una determinata forza viene descritta attraverso l’attribuzione ad essa di una caratteristica chiamata carica, il cui possesso produrrà una risposta alla specifica interazione. Ad esempio, un protone dotato di carica elettrica positiva risente dell’interazione elettromagnetica mediata dai fotoni, mentre un neutrino, che non possiede carica elettrica, non sarà sensibile ad essa. Un aspetto che caratterizza i bosoni vettori è il fatto che essi possiedano o meno la carica associata all’interazione di cui sono mediatori. Il fotone, ad esempio, non possiede carica elettrica, e non è quindi in grado di interagire con se stesso attraverso l’interazione elettromagnetica. Al contrario, i gluoni sono dotati della cosiddetta “carica forte”, e quindi interagiscono tra loro. La presenza di tale autointerazione caratterizza fortemente le diverse interazioni e la fenomenologia che ne consegue. Nel trattamento classico dell’interazione elettromagnetica, la forza elettrica si attenua in modo inversamente proporzionale al quadrato della distanza rispetto alla posizione della particella carica che la genera. Un elettrone dotato di carica elettrica negativa, ad esempio, produrrà un campo elettrico la cui intensità si attenua come 1/r2, dove r rappresenta la distanza da esso. Lo stesso accadrà in ogni regione di spazio occupata da una particella carica elettricamente. D’altra parte, non essendo il fotone dotato di carica elettrica, esso non produrrà un campo elettrico nella regione circostante, nonostante esso veicoli l’interazione elettromagnetica nel trattamento proprio della teoria relativistica dei campi. Il fatto che l’intensità dell’interazione si attenui come 1/rè interpretabile attraverso il Teorema di Gaussicona_minibiografia. Una carica elettrica in un punto dello spazio genererà un campo elettrico dotato di simmetria sferica, ovvero l’intensità di esso dipenderà soltanto dalla distanza del punto esaminato dalla carica, e non, ad esempio, dal fatto che esso si trovi, rispetto ad essa, sulla destra o sulla sinistra, in alto o in basso. In altre parole, considerando una sfera virtuale che abbia come centro la carica elettrica, l’intensità del campo prodotto sarà la stessa in ogni punto della sfera, giacendo ognuno di tali punti alla stessa distanza dal centro. All’aumentare della distanza dalla carica, aumenterà la superficie della sfera considerata: in particolare, tale superficie aumenterà in maniera proporzionale al quadrato del raggio della sfera, ovvero come 1/r2. Lo stesso campo elettrico, quindi, sarà stavolta distribuito su una superficie maggiore, ma dovendosi conservare l’energia ad esso associata, la sua intensità risulterà attutita in maniera inversamente proporzionale rispetto all’aumento di superficie, ovvero come 1/r2. L’attenuazione del campo elettrico è pertanto dovuta alla conservazione della densità di carica ed è spiegata attraverso il Teorema di Gauss.

 

Silvia Pisano, fisico

ultimo aggiornamento novembre 2015

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