Perché non possiamo mettere il ghiaccio nel microonde

Ovvero, perché scongelare il cibo è difficile: il ghiaccio e il forno a microonde non sono mai andati d’accordo. Se mettessimo dei cubetti di ghiaccio nel forno, l’onda elettromagnetica rimbalzerebbe sulle facce dei cubetti stessi e sulle pareti del forno fino a tornare al klystron* che l’ha emessa, con il rischio di danneggiarlo. Per questo stesso motivo non si deve accendere il forno vuoto: il forno è progettato in maniera che l’onda elettromagnetica sia assorbita da qualcosa al suo interno.

Per provare in prima persona il disprezzo che il ghiaccio prova per le microonde, possiamo mettere dei cubetti in una tazza e dell’acqua in un altro contenitore e metterli entrambi nel microonde. Dopo un minuto l’acqua sarà bollente o quasi mentre i cubetti saranno ancora lì, imperturbati, o quasi.

Le microonde scaldano l’acqua agendo sul dipolo elettrico che ha ciascuna molecola e non sui legami molecolari come spesso si legge. Questi ultimi sono sensibili alle frequenze del vicino infrarosso, ossia a lunghezze d’onda (L) tra 0.75 μm e 1 μm, mentre il forno a microonde ha L=12 cm (tra l’altro i fori sulla porta del forno sono posti a una distanza inferiore della lunghezza d’onda in maniera che questa sia riflessa dal metallo e non possa uscire).

Schema di una molecola d’acqua. Gli elettroni sono più vicini all’atomo di ossigeno, creando un dipolo elettrico, con un eccesso di carica positiva (in rosso, indica una carenza di elettroni) dal lato degli atomi di idrogeno e un eccesso di carica negativa (in blu, eccesso di elettroni) vicino all’atomo di ossigeno. Il dipolo elettrico va dalla carica negativa a quella positiva ed è indicato dalla freccia blu.

Un dipolo elettrico può essere pensato come una calamita a barra, in cui i poli sono cariche elettriche stazionarie (mentre il dipolo magnetico è generato da cariche elettriche in movimento). La molecola d’acqua si forma con la condivisione degli elettroni dei due atomi di idrogeno con l’ossigeno. Questo –  più prepotente – si  appropria degli elettroni per più tempo di quanto sarebbe educato (l’ossigeno si giustifica dicendo che è maggiormente elettronegativo per cui gli orbitali atomici della molecola hanno una distribuzione di probabilità asimmetrica e centrata su di lui, ma resta il fatto che l’ossigeno è un cafone). Ciascuna molecola d’acqua è quindi debolmente positiva in prossimità dei due atomi di idrogeno e debolmente negativa vicino a quello di ossigeno. Risulta perciò dotata di un piccolo momento di dipolo. Quando viene colpito dalle microonde, il dipolo elettrico delle molecole d’acqua viene agitato in semi-oscillazioni orarie-antiorarie, con 2.45 miliardi di microscopici ‘togli la cera –metti la cera’ al secondo. Le molecole d’acqua si scaldano per attrito con quelle vicine, trasformando l’energia elettromagnetica in calorica con estrema rapidità ed efficienza.

Abbassando la temperatura, le oscillazioni termiche delle molecole d’acqua si riducono e i dipoli elettrici tendono ad allinearsi regolarmente in una struttura cristallina tramite un legame intermolecolare (legame idrogeno) che  la rende molto stabile (infatti ci vogliono 330 Joule per fondere un grammo di acqua, o 80 calorie) e refrattaria alle microonde. Per scongelare qualcosa conviene quindi regolare il forno al minimo della potenza per agire gradualmente sui liquidi in esso contenuti e far sì che siano loro a sciogliere il ghiaccio.

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* Un Magnetron è una piccola camera a vuoto in cui vengono accelerati elettroni tra due forti magneti permanenti: gli elettroni si impacchettano nel campo magnetico emettendo radiazione elettromagnetica a frequenza ben definita.

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Il Microonde

Nota: NON FATELO A CASA. Non ci pensate neanche. No.

La ragazza suonò il campanello. Con sé aveva una vaschetta di gelato e un cofanetto di DVD.

Mentre aspettava che la sua amica Anna aprisse, sul pianerottolo giunse un'altra persona. Alto, maglietta attillata sui bicipiti muscolosi e tatuati, capelli ossigenati. “Ciao, fata, aspettavi me?”, le disse.

“No”, rispose lei, devo andare qui, disse indicando la porta dell’appartamento accanto.

Il tinto-biondo aprì la porta del suo appartamento, “Sei sicura, fata? Secondo me ti diverti di più con me”.

Lei non rispose. Il ragazzo dopo un attimo di attesa le fece l’occhiolino ed entrò in casa dicendo: “Non sai che ti perdi”.

La ragazza approfittò dell’occasione per scrutarlo di spalle. “Non ci siamo, bello mio. Mica puoi fare solo pettorali e bicipiti. Mancano gambe e glutei, caro il mio posteriore flaccido”, si disse.

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)