La fisica dei fuochi d'artificio
Gabriella Greison , di GABRIELLA GREISONI primi "botti" li lanciarono i cinesi, nell'XI secolo. Ma si dovette aspettare un premio Nobel, nel 1922, per capire il loro segreto. Nascosto negli elettroni
Non c'è momento più bello per godersi la fisica quantistica di una calda notte d'estate, con il cielo terso, in riva al mare. E per farlo basta che partano i fuochi d'artificio: quello a forma di palma, quello che gira come un'elica, quello che diventa fucsia e poi rosso... Sono l'attrazione più attesa delle sere di festa e il loro grande segreto è la scienza che nascondono. Io personalmente preferisco quelli con l'antimonio, ma sono gusti.
Andiamo con ordine. Partendo, appunto, dalla scienza. Le diverse colorazioni dei fuochi d'artificio sono le radiazioni visibili emesse per effetto delle transizioni elettroniche, cioè lo spostamento degli elettroni da un'orbita a un'altra, negli atomi di alcune sostanze, contenute nei mortaretti che salgono in cielo. Se vogliamo trovare uno scienziato del XX secolo dietro questa spiegazione, il suo nome è Niels Bohr (fisico di Copenaghen, antagonista di Albert Einstein, …
Andiamo con ordine. Partendo, appunto, dalla scienza. Le diverse colorazioni dei fuochi d'artificio sono le radiazioni visibili emesse per effetto delle transizioni elettroniche, cioè lo spostamento degli elettroni da un'orbita a un'altra, negli atomi di alcune sostanze, contenute nei mortaretti che salgono in cielo. Se vogliamo trovare uno scienziato del XX secolo dietro questa spiegazione, il suo nome è Niels Bohr (fisico di Copenaghen, antagonista di Albert Einstein, …
Non c'è momento più bello per godersi la fisica quantistica di una calda notte d'estate, con il cielo terso, in riva al mare. E per farlo basta che partano i fuochi d'artificio: quello a forma di palma, quello che gira come un'elica, quello che diventa fucsia e poi rosso... Sono l'attrazione più attesa delle sere di festa e il loro grande segreto è la scienza che nascondono. Io personalmente preferisco quelli con l'antimonio, ma sono gusti.
Andiamo con ordine. Partendo, appunto, dalla scienza. Le diverse colorazioni dei fuochi d'artificio sono le radiazioni visibili emesse per effetto delle transizioni elettroniche, cioè lo spostamento degli elettroni da un'orbita a un'altra, negli atomi di alcune sostanze, contenute nei mortaretti che salgono in cielo. Se vogliamo trovare uno scienziato del XX secolo dietro questa spiegazione, il suo nome è Niels Bohr (fisico di Copenaghen, antagonista di Albert Einstein, Nobel nel 1922), che nella sua scuola di Copenaghen coltivava giovani fisici teorici. Era il più grande conoscitore dell'atomo in quei tempi in cui non si sapeva ancora come descriverlo. E quando parliamo di grandezze più piccole dell'atomo, entriamo nel campo dell'infinitamente piccolo, quello della fisica quantistica, che nacque proprio con Bohr, Einstein, Wolfgang Pauli, Max Planck, Werner Heisenberg, e tanti altri. Un campo dove ci si imbatte in numeri dell'ordine di dieci alla meno trentaquattro (ovvero 0 virgola 33 zeri e poi un 1). Niels Bohr spiegò, appunto, i colori come ci appaiono nella parte visibile dello spettro elettromagnetico (rosso, arancione, giallo, verde e blu, sempre in quest'ordine, nell'arcobaleno) con le transizioni elettroniche. Ma torniamo ancora più indietro.
I primi "botti" nacquero nell'antica Cina, nel 200 a.C., quando alcuni uomini si misero a giocare con il bambù. Avevano scoperto di poter creare forti scoppi gettando i germogli di questa pianta nel fuoco, e quindi ripetevano questa attività ogni volta che volevano ridere un po'. Le sacche d'aria all'interno del bambù, quando venivano riscaldate, si espandevano rapidamente e la pianta esplodeva in maniera molto violenta. Tutto qui.
Dovettero aspettare fino all'XI secolo per provare più emozione, con l'invenzione della polvere da sparo. Sempre in Cina, e sempre per divertimento, qualcuno riuscì nell'impresa di fare esplodere in aria i primi fuochi d'artificio contenenti polvere da sparo, e le risate aumentarono a dismisura. Oltre a ridere si pensò che quella loro invenzione potesse essere venduta, per far divertire tutti. Grazie al commercio internazionale i fuochi d'artificio arrivarono prima in Medio Oriente e poi da noi. La meticolosità con cui venivano costruiti divenne sempre più ingegnosa, fino ad arrivare alle esplosioni dei giorni nostri. Ma vediamo meglio come funzionano.
L'incredibile potenza esplosiva dei fuochi d'artificio è contenuta in candelotti, che hanno all'interno un involucro di carta chiamato conchiglia. Dentro i candelotti c'è tutto il materiale utile per creare le luci abbaglianti e le forme che si vedono in cielo. Se tagliate per lungo il guscio della conchiglia, vedrete, al centro, un fusibile temporizzato, collegato a un pacchetto di polvere da sparo posto alla base, chiamato carica di sollevamento. Il fusibile viene acceso e accende a sua volta la carica di sollevamento, che spinge in aria il guscio, e questo esplode poi in cielo. Il fusibile continua a bruciare e l'esplosione finale avviene quando il guscio è al culmine del suo volo in aria e si accende il nucleo di polvere da sparo (chiamato carica di scoppio) che circonda il fusibile temporizzato.
All'interno della carica di scoppio si trovano alcune palline delle dimensioni di un pisello, che vengono chiamate stelle. Le stelle contengono composti chimici che producono colori diversi a seconda delle diverse transizioni elettroniche. Quando un guscio viene acceso, il calore causa infatti l'eccitazione degli elettroni e quindi la loro instabilità. Gli elettroni si spostano dall'orbita in cui si trovano a quella più esterna e poi ritornano rapidamente ai loro livelli energetici originari, emettendo l'energia in eccesso sotto forma di luce colorata.
Composti di stronzio emettono luce rossa; quelli di calcio arancione; composti di rame producono i fuochi d'artificio blu; quelli di bario o boro verdi; composti di sodio creano il colore giallo brillante. Le combinazioni di varie sostanze chimiche creano le diverse sfumature cromatiche: lo stronzio e il rame insieme danno il viola, il calcio e il bario emettono il rosa. Per ottenere colori più accesi sono invece necessarie più dosi di polvere da sparo, mentre la durata dello scoppio dipende dal calore dato dal fusibile.
Le stelle contengono anche un agente ossidante, il nitrato di potassio, che produce ossigeno per alimentare l'esplosione. E poi c'è un mezzo legante, la destrina, che tiene insieme tutti gli elementi. I fuochi d'artificio senza le stelle sono solo piccoli mortaretti, una fiammella leggera che brucia e finisce lì.
Il surriscaldamento del magnesio o delle limature di alluminio nelle stelle crea una raffica d'argento, mentre la combustione di magnesio, alluminio o titanio produce luce bianca. Le forme invece dipendono dalla disposizione delle palline all'interno delle conchiglie. Una configurazione circolare simmetrica, per esempio, diventerà un anello nell'aria. I modelli chiamati il salice, il crisantemo, la palma, la ruota, e il serpente richiedono una complicata disposizione delle stelle all'interno delle cariche di scoppio, un'arte che richiede anni per essere padroneggiata.
Conchiglie con stelle diverse, in un unico candelotto, esplodono rapidamente in sequenza: il pubblico, però, vede solo un fuoco d'artificio che sembra cambiare forma, passando per esempio da quella di sfera rotante a quella di palma. Il mio fuoco d'artificio preferito, dicevo, è fatto di antimonio: l'antimonio è un semimetallo di colore bianco-grigiastro che arde con fiamma cerulea, abbagliante, vivissima, e quindi è usato per dare molto splendore al fuoco. Si usa per il bianco, principalmente sotto forma di trisolfuro. Ma è interessante anche il carbonato di rame, usato in una miscela con il nitrato di stronzio che produce il violetto.
La maggior parte dei fuochi d'artificio moderni hanno il mortaio formato da brevi tubi d'acciaio piantati nel terreno. Ogni mortaio sta in piedi dritto, e il suo diametro corrisponde a quello del guscio che lancerà in aria. Quando la miccia del guscio è accesa, il mortaio lo dirige su una traiettoria verticale. Raggiungerà la quota desiderata seguendo una regola precisa: si alza di 30 metri ogni 2 centimetri e mezzo del suo diametro. Così un guscio da 25 centimetri di diametro salirà a circa 300 metri. I fuochi d'artificio nei luoghi poco estesi, o nei centri città, utilizzano conchiglie più piccole, circa 7 centimetri e mezzo di diametro, che arriveranno a un massimo di 90 metri di altezza. Il tempismo è tutto. I progettisti si assicurano che la conchiglia esploda nel momento in cui raggiunge la massima altezza, grazie all'impostazione dei tempi che viene data al fusibile.
E adesso potete godervi i fuochi in cielo, durante le feste d'estate, sapendo anche voi quale elemento chimico nominare quando cambiano colore. Niels Bohr ne sarebbe fiero.
Sul Venerdì del 2 agosto 2019
Andiamo con ordine. Partendo, appunto, dalla scienza. Le diverse colorazioni dei fuochi d'artificio sono le radiazioni visibili emesse per effetto delle transizioni elettroniche, cioè lo spostamento degli elettroni da un'orbita a un'altra, negli atomi di alcune sostanze, contenute nei mortaretti che salgono in cielo. Se vogliamo trovare uno scienziato del XX secolo dietro questa spiegazione, il suo nome è Niels Bohr (fisico di Copenaghen, antagonista di Albert Einstein, Nobel nel 1922), che nella sua scuola di Copenaghen coltivava giovani fisici teorici. Era il più grande conoscitore dell'atomo in quei tempi in cui non si sapeva ancora come descriverlo. E quando parliamo di grandezze più piccole dell'atomo, entriamo nel campo dell'infinitamente piccolo, quello della fisica quantistica, che nacque proprio con Bohr, Einstein, Wolfgang Pauli, Max Planck, Werner Heisenberg, e tanti altri. Un campo dove ci si imbatte in numeri dell'ordine di dieci alla meno trentaquattro (ovvero 0 virgola 33 zeri e poi un 1). Niels Bohr spiegò, appunto, i colori come ci appaiono nella parte visibile dello spettro elettromagnetico (rosso, arancione, giallo, verde e blu, sempre in quest'ordine, nell'arcobaleno) con le transizioni elettroniche. Ma torniamo ancora più indietro.
I primi "botti" nacquero nell'antica Cina, nel 200 a.C., quando alcuni uomini si misero a giocare con il bambù. Avevano scoperto di poter creare forti scoppi gettando i germogli di questa pianta nel fuoco, e quindi ripetevano questa attività ogni volta che volevano ridere un po'. Le sacche d'aria all'interno del bambù, quando venivano riscaldate, si espandevano rapidamente e la pianta esplodeva in maniera molto violenta. Tutto qui.
Dovettero aspettare fino all'XI secolo per provare più emozione, con l'invenzione della polvere da sparo. Sempre in Cina, e sempre per divertimento, qualcuno riuscì nell'impresa di fare esplodere in aria i primi fuochi d'artificio contenenti polvere da sparo, e le risate aumentarono a dismisura. Oltre a ridere si pensò che quella loro invenzione potesse essere venduta, per far divertire tutti. Grazie al commercio internazionale i fuochi d'artificio arrivarono prima in Medio Oriente e poi da noi. La meticolosità con cui venivano costruiti divenne sempre più ingegnosa, fino ad arrivare alle esplosioni dei giorni nostri. Ma vediamo meglio come funzionano.
L'incredibile potenza esplosiva dei fuochi d'artificio è contenuta in candelotti, che hanno all'interno un involucro di carta chiamato conchiglia. Dentro i candelotti c'è tutto il materiale utile per creare le luci abbaglianti e le forme che si vedono in cielo. Se tagliate per lungo il guscio della conchiglia, vedrete, al centro, un fusibile temporizzato, collegato a un pacchetto di polvere da sparo posto alla base, chiamato carica di sollevamento. Il fusibile viene acceso e accende a sua volta la carica di sollevamento, che spinge in aria il guscio, e questo esplode poi in cielo. Il fusibile continua a bruciare e l'esplosione finale avviene quando il guscio è al culmine del suo volo in aria e si accende il nucleo di polvere da sparo (chiamato carica di scoppio) che circonda il fusibile temporizzato.
All'interno della carica di scoppio si trovano alcune palline delle dimensioni di un pisello, che vengono chiamate stelle. Le stelle contengono composti chimici che producono colori diversi a seconda delle diverse transizioni elettroniche. Quando un guscio viene acceso, il calore causa infatti l'eccitazione degli elettroni e quindi la loro instabilità. Gli elettroni si spostano dall'orbita in cui si trovano a quella più esterna e poi ritornano rapidamente ai loro livelli energetici originari, emettendo l'energia in eccesso sotto forma di luce colorata.
Composti di stronzio emettono luce rossa; quelli di calcio arancione; composti di rame producono i fuochi d'artificio blu; quelli di bario o boro verdi; composti di sodio creano il colore giallo brillante. Le combinazioni di varie sostanze chimiche creano le diverse sfumature cromatiche: lo stronzio e il rame insieme danno il viola, il calcio e il bario emettono il rosa. Per ottenere colori più accesi sono invece necessarie più dosi di polvere da sparo, mentre la durata dello scoppio dipende dal calore dato dal fusibile.
Le stelle contengono anche un agente ossidante, il nitrato di potassio, che produce ossigeno per alimentare l'esplosione. E poi c'è un mezzo legante, la destrina, che tiene insieme tutti gli elementi. I fuochi d'artificio senza le stelle sono solo piccoli mortaretti, una fiammella leggera che brucia e finisce lì.
Il surriscaldamento del magnesio o delle limature di alluminio nelle stelle crea una raffica d'argento, mentre la combustione di magnesio, alluminio o titanio produce luce bianca. Le forme invece dipendono dalla disposizione delle palline all'interno delle conchiglie. Una configurazione circolare simmetrica, per esempio, diventerà un anello nell'aria. I modelli chiamati il salice, il crisantemo, la palma, la ruota, e il serpente richiedono una complicata disposizione delle stelle all'interno delle cariche di scoppio, un'arte che richiede anni per essere padroneggiata.
Conchiglie con stelle diverse, in un unico candelotto, esplodono rapidamente in sequenza: il pubblico, però, vede solo un fuoco d'artificio che sembra cambiare forma, passando per esempio da quella di sfera rotante a quella di palma. Il mio fuoco d'artificio preferito, dicevo, è fatto di antimonio: l'antimonio è un semimetallo di colore bianco-grigiastro che arde con fiamma cerulea, abbagliante, vivissima, e quindi è usato per dare molto splendore al fuoco. Si usa per il bianco, principalmente sotto forma di trisolfuro. Ma è interessante anche il carbonato di rame, usato in una miscela con il nitrato di stronzio che produce il violetto.
La maggior parte dei fuochi d'artificio moderni hanno il mortaio formato da brevi tubi d'acciaio piantati nel terreno. Ogni mortaio sta in piedi dritto, e il suo diametro corrisponde a quello del guscio che lancerà in aria. Quando la miccia del guscio è accesa, il mortaio lo dirige su una traiettoria verticale. Raggiungerà la quota desiderata seguendo una regola precisa: si alza di 30 metri ogni 2 centimetri e mezzo del suo diametro. Così un guscio da 25 centimetri di diametro salirà a circa 300 metri. I fuochi d'artificio nei luoghi poco estesi, o nei centri città, utilizzano conchiglie più piccole, circa 7 centimetri e mezzo di diametro, che arriveranno a un massimo di 90 metri di altezza. Il tempismo è tutto. I progettisti si assicurano che la conchiglia esploda nel momento in cui raggiunge la massima altezza, grazie all'impostazione dei tempi che viene data al fusibile.
E adesso potete godervi i fuochi in cielo, durante le feste d'estate, sapendo anche voi quale elemento chimico nominare quando cambiano colore. Niels Bohr ne sarebbe fiero.
Sul Venerdì del 2 agosto 2019