dall' infinitamente piccolo all' infinitamente grande percorso di divulgazione scientifica...

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDEPERCORSO DI DIVULGAZIONE SCIENTIFICA

PER SPIEGARE IN MODO ELEMENTARE ED ACCESSIBILE A TUTTI COM' E' FATTO E COME

FUNZIONA IL MONDO FISICO

DAI QUARK AL DNA, DALLE STELLE ALLE GALASSIE,

DAL BIG BANG ALL' UNIVERSO ATTUALE ED OLTRE

RELATORE: PROF. ANTONINO CUCINOTTA

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA ATOMICADELLA MATERIA:

DAGLI ATOMI DI LEUCIPPO E DEMOCRITO

ALLA TEORIA ATOMICA DI

DALTON, AVOGADRO E CANNIZZARO

FONDATORI DELLA CHIMICA MODERNA

CALCOLI IN NOTAZIONE SCIENTIFICA

MULTIPLI

10 = 10 1

100 = 10 x 10 = 102

1000 = 10 x 10 x 10 = 103 = Kilo, K

10000 = 10 x 10 x 10 x 10 = 104

100000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 105

1000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 106 = Mega, M = 1000 K

10000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 107

100000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Giga, G = 1000 M

100000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Tera, T = 1000 G

Sottomultipli

0,1 = 1/10 = 10-1 , deci , d

0,01 = 1/100 = 10-2 ,centi, c

0,001 = 1/1000 = 10-3 ,milli, m

0,000001 = 1/1000000 = 10-6 ,micro, μ

0,000000001 = 1/1000000000 = 10-9 ,nano, n

0,000000000001 = 1/1000000000000 = 10-12 , pico, p

0,000000000000001 = 1/1000000000000000 = 10-15 ,

femto,f

ESEMPI

5 x 104 x 8 x10 -3 = 40 x 10(4 - 3) = 40 x 10 = 400

45,7 x 10-12 : 7,4 x 10-15 ≈ 6,175 x 10(-12 + 15) =

= 6,175 x 103

ESEMPI

CALCOLO DEL TEMPO T IMPIEGATO DALLA LUCE SOLARE PER RAGGIUNGERE LA TERRA

d: distanza media Terra-Sole = 150000000 Km =c: velocità della luce nel vuoto = 300000 km/s

T = d/c = 150 x 106 / 3 x 105 = 50 x 10(6-5) secondi = =500 s = 500/60 minuti ≈ 8,33 minuti

ESEMPI

1 ANNO LUCE (A. L.) =

= 300000 Km/s x 3600 x 24 x 365 =

= 3 x 105 x 86400 x 365 = 3 x 105 x 8,64 x 104 x 3,65 x 102 Km =

= 3 x 8,64 x 3,65 x 10 (5 + 4 + 2) Km ≈ 94,608 x 10 11 Km =

= 9,4608 x 1012 Km = 9460,8 x 109 Km = 9460,8 miliardi di Km

ESEMPI

CARICA DELL' ELETTRONE e = 1,6 x 10-19 C (Coulomb)

Un ferro da stiro da 2000 W assorbe ,alimentato a 230 V,

una corrente con intensità I = 2000/230 ≈ 8,695 A (Ampere) = 8,695 Coulomb/s, che equivale allo spostamento lungo il filo di 8,695 : 1,6 x 10-19 ≈

≈ 54,343 x 1018 elettroni/secondo.

La corrente di 1 A = 1 Coulomb/secondo equivale allo spostamento di 1/1,6 x 10-19 ≈ 6,25 x 1018

elettroni/secondo

ESEMPI

MASSA DEL PROTONE : Mp = 1,673 x 10-27 Kg

MASSA DELL' ELETTRONE Me = 0,91 x 10-30 Kg

IL PROTONE HA UNA MASSA

Mp/Me = 1,673 x 10-27/ 0,91 x 10-30 ≈ 1,838 x 103 =

= 1838 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA

DELL' ELETTRONE

LEUCIPPO DI MILETO

DEMOCRITO DI ABDERA

L' ANTICA GRECIA

JOHN DALTON

AMEDEO AVOGADRO

STANISLAO CANNIZZARO

DIMITRI MENDELEEV

LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI (DI MENDELEEV)

WILLIAM CROOKES

TUBI DI CROOKES(SCARICA ELETTRICA IN UN GAS RAREFATTO)

TUBO A RAGGI CATODICI

HEINRICH HERTZ NEL 1886 GENERA E RIVELA A BREVE DISTANZA LE ONDE ELETTROMAGNETICHE PREVISTE TEORICAMENTE DA MAXWELL

ONDE ELETTROMAGNETICHE

SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA LUCE

LA DISPERSIONE DELLA LUCEATTRAVERSO UN PRISMA

SINTESI DELLA LUCE BIANCACON IL DISCO DI NEWTON

DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

WIHLELM CONRAD ROENTGEN SCOPRE I RAGGI X (1895)

MODERNO TUBO A RAGGI X (DI COOLIDGE)

HENRY BECQUEREL SCOPRE LA RADIOATTIVITA'

DEI SALI D'URANIO (1896)

I CONIUGI CURIE SCOPRONO IL POLONIO ED IL RADIO (1898 - 1902).

JOSEPH THOMSON SCOPRE L' ELETTRONE(1897)

IIMATERIA E RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA I PIONIERI DELLA FISICA DEL XX SECOLO MAX PLANCK SPIEGA LO SPETTRO DEL CORPO NERO ENUNCIANDO IL PRINCIPIO DI QUANTIZZAZIONE DELL 'ENERGIA (1900)

FRANUNHOFER INVENTA IL RETICOLO DI DIFFRAZIONE (1814)

E STUDIA LO SPETTRO SOLARE

SPETTRO DI ASSORBIMENTO SOLARE

SPETTRI DI EMISSIONE E DI ASSORBIMENTO DEL SODIO

I RAGGI ULTRAVIOLETTI : UVA, UVB, UVC

KIRCHHOFF E BUNSEN INVENTANO LO SPETTROSCOPIO (1859)

SPETTROSCOPIO

ALBERT EINSTEIN SPIEGA L' EFFETTO FOTOELETTRICO CON L' IPOTESI DEI FOTONI (1905) (QUANTI DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA)

ATOMO DI THOMSON

ERNEST RUTHERFORD SCOPRE IL NUCLEO ATOMICO (1911)

NIELS BOHR ELABORA LA TEORIA QUANTISTICA DELL' ATOMO DI IDROGENO (1913)

ISOTOPI

IDROGENO H1

Z = 1 , N = 0 , A = 1

DEUTERIO D o H1

Z = 1 , N = 1 , A = 2

TRIZIO T o H1

Z = 1 , N = 2 , A = 3

LITIO Li 3 7

Z = 3, N = 4 , A = 7

BORO B5 10

Z = 5, N = 5 , A = 10

CARBONIO 12 C612

Z = 6, N = 6 , A = 12

CARBONIO 14 C6 14

Z = 6, N = 8 , A = 14

ARGENTO Ag 79197

Z = 47, N = 60 , A = 197

FERRO Fe2656

Z = 26, N = 30 , A = 56

URANIO 234 U (0,0057 %) U92

Z = 92, N = 142 , A = 234,

URANIO 235 U (0,7204 %) U92235

Z = 92, N = 143 , A = 235,

URANIO 238 U (99,273 %) U92238

Z = 92, N = 146 , A = 238,

IODIO 127 (STABILE) I53

Z = 53, N = 74 , A = 127,

IODIO 131 (RADIOATTIVO) I53131

Z = 53, N = 78 , A = 131

ASTON INVENTA LO SPETTROMETRO DI MASSA (1920)

SPETTROMETRO DI MASSA PER LA RIVELAZIONE DEGLI ISOTOPI

LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA

ATOMO DI CARBONIO

ATOMO DI CLORO

ATOMO DI SODIO

ATOMO DI ALLUMINIO

ATOMO DI RAME

ATOMO DI URANIO

ATOMO AL MICROSCOPIO ELETTRONICO

WILLIAM HENRY BRAGG E WILLIAM LAWRENCE BRAGG SCOPRONO LA STRUTTURA CRISTALLINA DELLA MATERIA CON ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X (1913)

ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X

STRUTTURA CRISTALLINA DEL CLORURO DI SODIO

STRUTTURA CRISTALLINA DEL DIAMANTE E DELLA GRAFITE

CRISTALLI DI DIAMANTE E DI GRAFITE

LA SCOPERTA DEL DNA (1953)ROSALINDE FRANKLIN, WATSON E CRICK

LA STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL DNA

MODELLO DELLA STRUTTURA DEL DNA

IL PRIMO DIFFRATTOGRAMMA A RAGGI X DEL DNA

ARTHUR COMPTON CONFERMA SPERIMENTALMENTE L' IPOTESI DEI FOTONI DI EINSTEIN (1922)

L' EFFETTO COMPTON CONFERMA L' ESISTENZA DEI FOTONI DI EINSTEIN

LOUIS DE BROGLIE FORMULA L' IPOTESI ONDULATORIA DELLA MATERIA (1924)

ERWIN SCHROEDINGER ELABORA LA MECCANICA ONDULATORIA (MECCANICA QUANTISTICA) (1925)

WOLFGANG PAULI ENUNCIA IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (1925) CONSENTENDO DI SPIEGARE QUANTISTICAMENTE LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA E LA TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV

WERNER HEISENBERG ENUNCIA IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (1927)

DAVISSON E GERMER VERIFICANO IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLA MATERIA CONFERMANDO L' IPOTESI DI DE BROGLIE (1927)

DIFFRAZIONE DI ELETTRONI E DIFFRAZIONE DI RAGGI X ATTRAVERSO LAMINE D' ORO

LE COSTANTI UNIVERSALI

c = 300000 km/s = 3 x 108 m/s - velocità della luce nel vuoto

G = 6,67 x 10-11 N x m2 /kg2 - costante di gravitazione universale

h = 6,63 x 10-34 J s - costante di Planck o quanto d'azione

e = 1,6 x 10-19 C - carica dell' elettrone (e del protone)

No = 6,0221412 x1023 molecole/mole - numero di Avogadro

LE LEGGI QUANTISTICHEFONDAMENTALI

ENERGIA DI UN FOTONE (EINSTEIN - 1905) h LUNGHEZZA D' ONDA ASSOCIATA AD UNA PARTICELLA (DE BROGLIE - 1924)

h /p p = M v quantità di moto della particella (M massa, v velocità)

LE LEGGI QUANTISTICHE FONDAMENTALI

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE

(MAX BORN - WERNER HEISENBERG - 1927)

Δ p x Δx ≥ h/(2π)

Δ p incertezzza nella misura della quantità di moto p

Δ x incertezza nella misura della posizione x

Δ E x Δt ≥ h/(2π)

Δ E incertezza nella misura dell' energia

Δ t durata della misura

PAUL DIRAC APPLICANDO LA TEORIA DELLA RELATIVITA' SPECIALE DI EINSTEIN ALLA MECCANICA QUANTISTICA PREVEDE L'ESISTENZA DELL' ANTIMATERIA (1928)

JAMES CHADWICK SCOPRE IL NEUTRONE (1932)

ENRICO FERMI CON I “RAGAZZI” DI VIA PANISPERNA (SCUOLA DI FISICA DI ROMA - 1934)

ETTORE MAJORANA NEL 1933 ELABORA, PRIMA DI HEISENBERG, LA TEORIA DELLE FORZE NUCLEARI

LA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI (VICTOR HESS - 1912)

LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALIDELL' UNIVERSO

LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE FONDAMENTALI DEL MODELLO STANDARD:

QUARK PRIMA GEN. SECONDA GEN. TERZA GEN. SU, GIU' STRANO, INCANTATO ALTO, BASSO

LEPTONI

ELETTRONE MUONE TAUONE

NEUTRINO NEUTRINO NEUTRINOELETTRONICO MUONICO TAUONICO

LO SCAMBIO DI UN GLUONE GENERA LA FORZA FORTE (FORZA DI COLORE) TRA DUE QUARK

LO SCAMBIO DI UN FOTONE GENERA LA FORZA ELETTROMAGNETICA TRA DUE PARTICELLE CARICHE

LO SCAMBIO DEI BOSONI VETTORI DI RUBBIA (W+,W-, Z°)GENERA LA FORZA DEBOLE (FORZA DI CAMBIAMENTO DI SAPORE) TRA DUE QUARK O TRA DUE LEPTONI

LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE DEL MODELLO STANDARD

UNITA' DI MISURA DELL'ENERGIAIN FISICA ATOMICA E NUCLEARE

1 eV (ELETTRONVOLT) = 1,6 x 10-19 J (Joule)

1 JOULE EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UNA MASSA DI CIRCA 102 GRAMMI IN CADUTA LIBERA DALL' ALTEZZA DI 1 METRO.

1 eV EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UN CORPO DOTATO DI UNA CARICA DI 1,6 x 10-19 COULOMB SOTTOPOSTO ALLA TENSIONE ACCELERATRICE DI 1 VOLT

MULTIPLI DELL' ELETTRONVOLT

1 KeV (KILOELETTRONVOLT) = 103 eV

1 MeV (MEGAELETTRONVOLT) = 106 eV = 1000 KeV

1 GeV (GIGAELETTRONVOLT) = 109 eV = 1000 MeV

1 TeV (TERAELETTRONVOLT) = 1012 eV = 1000 GeV

1 eV EQUIVALE ALL' ENERGIA DI AGITAZIONE TERMICA MEDIA ACQUISITA DA UN ELETTRONE ALLA TEMPERATURA DI 11600 °K(°K → GRADI KELVIN = GRADI CENTIGRADI (C°) + 273,16)

BARRIERA DI POTENZIALE PER LA FUSIONE NUCLEARE

BARRIERA DI POTENZIALE TRA DUE PROTONI

E = MC2

PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA

MASSA ED ENERGIA

SE M = 1 GRAMMO, E = 10-3 Kg x (3 x 108 m/s)2 =

= 9 x 1013 JOULE = 9 x 1013 / 3,6 x 106 = 25 x 106 Kwh. 1 Kwh = 3,6 x 106 J

LA COMBUSTIONE DI 1 GRAMMO DI CARBONIO

PRODUCE 7865,41 calorie = 7865,41 X 4,18 =

=32877,41 JOULE = 32877,41/3,6 x 106 = 0,009132

REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE

IL DIFETTO DI MASSA DELLE REAZIONI NUCLEARI CONFERMA LA

LEGGE RELATIVISTICA E = mc2

NELLA REAZIONE NUCLEARE A + B = C + D LA SOMMA MA

DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE E' SEMPRE LIEVEMENTE MINORE DELLA SOMMA M

D DELLE MASSE DEI

REAGENTI.ESEMPIO:NELLA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE

3Li7 --->

2He4 +

2He4 + 17 MeV

(Reazione di Cockroft e Walton, 1932) L' ENERGIA PRODOTTA (17 MeV = 17 x 10 6 x 1,6 x 10-19 J = = 27,2 x 10-13 J) EQUIVALE ALLA DIFFERENZA (DIFETTO DI MASSA) TRA LA SOMMA DELLE MASSE DEI REAGENTI (PROTONE E NUCLEO DI LITIO) E LA SOMMA DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE (PARTICELLE ALFA)

LA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE PROTONE-PROTONE

IL CICLO DI BETHE(HANS BETHE - 1938)

IL CICLO DI BETHE(CICLO CNO - CARBONIO-AZOTO-

OSSIGENO)

DENEB SIRIO

LA COSTELLAZIONE DI ORIONEBetelgeuse

ANTARESSUPERGIGANTE ROSSA

NELLA COSTELLAZIONE DELLO SCORPIONE

ANTARES

BETELGEUSE E ANTARESDUE BELLISSIME SUPERGIGANTI ROSSE

NEBULOSE PLANETARIE

NEBULOSA TESTA DI CAVALLO NEBULOSA OCCHIO DI GATTO

LE REAZIONI NUCLEARI DI FISSIONE E FUSIONE

VIDEO 1 (LA FUSIONE NUCLEARE)

VIDEO 2 (LA FUSIONE NUCLEARE)

VIDEO 3 (LA FISSIONE NUCLEARE)

VITA E MORTE DI UNA STELLA VIDEO 1 VIDEO 2 VIDEO 3 VIDEO 4

EDWIN HUBBLE SCOPRE L' ESPANSIONE DELL' UNIVERSO (1929)

LA LEGGE DI HUBBLEV = HR

GEORGE GAMOW FORMULA LA TEORIA DEL BIG BANG (1946)

IL BIG BANG

ARNO E PENZIAS SCOPRONOLA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO (1964)

ALAN GUTH FORMULA LA TEORIADELL' INFLAZIONE COSMICA (1979)

LA LINEA DEL TEMPO DELL' UNIVERSO

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