Dalle esplosioni stesse ai loro colori unici e vivaci, gli spettacoli pirotecnici richiedono molta fisica quantistica. Ecco come funzionano.
Di spettacoli pirotecnici ne vediamo a bizzeffe, specialmente in questo periodo. Non tutti sanno però che i cosiddetti fuochi d’artificio sono guidati dalle stesse leggi della fisica che governano tutta la natura. Si basano su quattro fasi: lancio, miccia, cariche esplosive e stelle. Senza la fisica quantistica, ciò non sarebbe possibile. Ecco la scienza dietro al funzionamento di ogni componente di questi spettacoli pirotecnici.
La fisica quantistica dietro ai fuochi d’artificio
Parte tutto dal lancio, l’esplosione iniziale che causa la spinta. Da quando i fuochi d’artificio sono stati inventati per la prima volta più di un millennio fa, gli stessi tre semplici ingredienti sono stati al centro di essi: zolfo, carbone e una fonte di nitrato di potassio. Lo zolfo è un solido giallo che si trova naturalmente in luoghi vulcanicamente attivi, mentre il nitrato di potassio è abbondante in fonti naturali come escrementi di uccelli o guano di pipistrello. Il carbone è il residuo di carbonio lasciato dalla carbonizzazione (o pirolizzazione) di materia organica, come il legno. Una volta rimossa tutta l’acqua dal carbone, tutti e tre gli ingredienti possono essere mescolati insieme con un mortaio e un pestello. La polvere fine e nera che emerge è polvere da sparo, già ricca di ossigeno dal nitrato di potassio.
Come viene rilasciata l’energia
Con tutti questi ingredienti mescolati insieme, c’è molta energia immagazzinata nei legami molecolari che tengono insieme i diversi componenti. Tutto ciò che serve per raggiungere alte temperature è una piccola fonte di calore, come un fiammifero. La reazione è una deflagrazione a combustione rapida. La riorganizzazione degli atomi (e il fatto che il carburante contenga ossigeno) consente ai nuclei e agli elettroni di riorganizzare la loro configurazione, rilasciando energia e sostenendo la reazione. Senza la fisica quantistica di questi legami, non ci sarebbe modo di rilasciare questa energia immagazzinata.
L’accensione della miccia dei fuochi d’artificio
Quando avviene il primo rilascio di energia, noto come carica di sollevamento, si verificano due effetti importanti. La carica di sollevamento impartisce un impulso, causando un’accelerazione al fuoco d’artificio. Poiché il fuoco d’artificio è racchiuso in un tubo di lancio, l’accelerazione è sempre nella direzione desiderata: verso l’alto. La carica di sollevamento, durante il processo di combustione, accende la miccia principale, che farà esplodere il fuoco d’artificio quando raggiungerà la polvere nera al suo interno.
L’esplosione finale
Ma la parte più interessante è quella finale, in cui le stelle si accendono. L’esplosione è ciò che porta le temperature interne a livelli sufficienti per creare la luce e il colore che associamo a questi spettacoli. Ma come si creano tutti quei colori? Quando applichi abbastanza energia a un atomo o a una molecola, puoi eccitare o persino ionizzare gli elettroni che lo mantengono elettricamente neutro. Quando quegli elettroni eccitati poi scendono verso il basso nell’atomo, nella molecola o nello ione, emettono fotoni, che se cadono nella porzione visibile dello spettro, l’occhio umano è persino in grado di vederli.
