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LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Alunni: Alice, Matteo e Debora Classe 1C Alberghiero – Porto SantElpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa La forza nucleare.

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2 LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Alunni: Alice, Matteo e Debora Classe 1C Alberghiero – Porto SantElpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa La forza nucleare debole

3 Obiettivi di conoscenza e competenza Sapere a che serve lacceleratore di Ginevra Approfondire la conoscenza della forza nucleare debole Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle Sapere la struttura dellatomo e delle particelle che lo costituiscono Conoscere le 4 forze fondamentali Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni Sapere che allLHC (Large Hadron Collider) di Ginevra si possono creare nuove particelle che potrebbero spiegare (in parte) lorigine della materia oscura

4 Obiettivi di abilità Collegare una forza fondamentale ai fenomeni macroscopici che provoca Costruire un modello per rappresentare linterno dellatomo Evidenziare il legame tra la radioattività,la fusione termonucleare e la forza nucleare debole Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

5 Metodologia Lezioni frontali partecipate con uso di campioni Lavori di gruppo, role playing Invito alla produzione di videopresentazioni Ricerche bibliografiche e navigazione in rete

6 Mezzi e strumenti Libri di testo e riviste scientifiche Personal computer e videoproiettore Laboratorio scientifico Macchina fotografica digitale e videocamera Lavagne dardesia, magnetica e luminosa Minerali, calamite, bussole Modelli e poster

7 Gli Acceleratori di particelle: lineari e circolari Esistono due tipi di acceleratori: lacceleratore lineare più famoso è SLAC-Stanford, California Acc. Lineare - 3 km Lacceleratore circolare più famoso è CERN, Ginevra, Svizzera Acc. Circolare LEP/LHC - 27 km.

8 Funzionamento dellLHC Un acceleratore di particelle è in pratica un super microscopio. I fasci di protoni si incrociano 40 milioni di volte al secondo. A ogni incrocio, avvengono in media 20 collisioni protone- protone per un totale di 800 milioni di collisioni per secondo. Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni di collisioni,quindi non più di una volta al giorno.

9 Rivelatori di particelle Nellacceleratore ci sono rivelatori di particelle, questi sostituiscono locchio umano, per vedere particelle e radiazioni di alta energia. Sono anche loro sistemi grandi e complessi, dotati di elettronica ottica e meccanica di precisione e di migliaia di computer.

10 Obiettivi dellLHC Atlas e Cms hanno come scopo principale la verifica dellesistenza del bosone di Higgs, grazie allenorme energia con cui fa scontrare fra loro gruppi di protoni, il bosone di Higgs, la particella in grado di spiegare come mai esiste la massa. Alice:i fisici osserveranno un plasma di quark e gluoni, cioè uno strato della materia esistito subito dopo il Big Bang. Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni di collisioni, quindi non più di una volta al giorno.

11 La forza nucleare debole È responsabile della radioattività e della fusione termonucleare, in quanto causa la trasformazione dei protoni in neutroni e viceversa; agisce sulle particelle subatomiche (protoni e neutroni); non agisce sui fotoni e sui gravitoni; nel 1967 la FND fu unificata con la FEM.

12 Ogni tipo di interazione ha un ruolo preciso nelleconomia dellUniverso, ma le interazioni deboli sono molto diverse dalle altre. Nel dicembre del 1933 apparve su la ricerca scientifica, la rivista del Consiglio Nazionale delle Ricerche, un articolo di Enrico Fermi dal titolo tentativo di una teoria dellemissione dei raggi beta. Latipicità della forza nucleare debole Infatti, mentre gli altri tipi di interazioni, cioè le gravitazionali, le elettromagnetiche e le forti, si manifestano soprattutto come forze di attrazione e repulsione tra le particelle, la specialità delle interazioni deboli è quella di trasformare una particella in unaltra.

13 La fusione termonucleare Il disegno è uno schema semplificato di quello che avviene nella fusione termonucleare; in realtà lo schema è più complesso (vedi slide successiva) Tratta dal quaderno di Irina, in

14 La fusione termonucleare La fusione termonucleare è la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre stelle, con produzione di una enorme quantità di energia. Nella reazione di fusione nuclei di elementi leggeri, quali lidrogeno, a temperature e pressioni elevate, fondono formando nuclei di elementi più pesanti come lelio.

15 Gli isotopi dellidrogeno Sono noti tre isotopi dellidrogeno: lidrogeno propriamente detto (H), il deuterio (D) e il trizio (T). Il nucleo di tutti e tre contiene un protone, il che li caratterizza come forme dellelemento idrogeno; il nucleo di deuterio contiene inoltre un neutrone mentre quello del trizio due neutroni. Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che contengono lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.

16 La radioattività Il flusso di calore interno terrestre (FCIT) è causato dal fenomeno della radioattività Luranio-235 ogni 713 milioni di anni (tempo di dimezzamento) si trasforma in piombo-207 determinando un avanzo di massa (Δm) pari a 28 unità di massa atomica (28 uma). A causa della formula di Einstein ΔE = Δm. c 2 (come nella fusione termonucleare) lavanzo di massa (Δm) si trasforma in ΔE sviluppando calore. Tratta da A.Zullini e U.Scaioni scienze della terra

17 Schema semplificato Tratta da A.Zullini e U.Scaioni scienze della terra

18 Schema più complesso Tratta da wikipedia

19 Applicazioni nella medicina Per la ricerca applicata è anche prevista la messa in funzione di un acceleratore di protoni di alta intensità e bassa energia con cui realizzare fasci di neutroni. Irraggiando un bersaglio di berillio o di litio si produrranno fino a 100 mila miliardi di neutroni al secondo, che saranno utilizzati per studi applicativi nel campo dei materiali, dellastrofisica e della medicina. Il metodo è basato sulla capacità del boro di catturare neutroni termici e decadere in un nucleo di litio e uno di elio. Lirraggiamento del paziente con neutroni termici provoca la rottura del Boro-10 che si comporta come una microbomba, distruggendo in modo selettivo solo le cellule tumorali.

20 La Bnct (Boron Neutron Capture Theraphy) è una terapia per la cura dei tumori diffusi. Questa tecnica fa uso di neutroni termalizzati che nel nostro caso avranno un flusso di un miliardo di neutroni al secondo per centimetro quadrato.

21 Antimateria al lavoro per la salute Il grande successo è dovuto alle alte potenzialità di questa tecnica nell identificazione dei tumori e delle metastasi allinterno del corpo umano,mediante il radiotracciante F- FDG (F-FluoroDesossiGlucosio). Il F-FDG segue il percorso del glucosio allinterno del corpo umano, quindi si accumula nelle cellule a più elevato metabolismo, come le cellule tumorali. Questo permette di ricostruire unimmagine quantitativa e tridimensionale delle zone tumorali, che offre la possibilità di una diagnosi oncologica più accurata e di elevato valore prognostico.

22 La materia oscura e le lenti gravitazionali Le lenti gravitazionali sono fenomeni che indicano la presenza di masse che non vediamo: è grazie al piegamento della loro luce emessa (fenomeno previsto da Albert Einstein) che riusciamo ad individuarle.

23 Lalone di materia oscura della Via Lattea A lato si vede che la materia oscura piega la luce di lontane galassie facendola giungere a noi grazie al fenomeno delle lenti gravitazionali Gli scienziati ipotizzano che intorno la materia visibile della nostra galassia ci sia un alone di materia oscura

24 La materia oscura e le lenti gravitazionali AllLHC di Ginevra stanno tentando di capire da cosa è costituita la materia oscura. Gli scienziati ipotizzano che essa sia costituita in parte da stelle fredde e quindi poco luminose (nane grigie) e in parte da particelle ancora da scoprire.

25 IL MISTERO DEI NEUTRINI Seconda la teoria del Modello Standard delle particelle, i neutrini sono particelle elementari con carica elettrica nulla e massa zero. Esperimenti recenti dimostrerebbero invece che i neutrini sono dotati di una massa, se pure piccolissima. La massa del neutrino elettronico sarebbe almeno volte più piccola di quella dellelettrone.

26 The universe composition Clil – The Universe: birth and evolution Conclusions Today we know just 4.6% of the universe composition. We know that the dark matter exists but not directly; as the universe is still expanding (against the Newtons gravity force) we can suppose that some forms of dark energy exist.

27 THE SHAPE OF THE UNIVERSE NOW TIME DISTANCE BETWEEN THE GALAXIES OPEN FLAT CLOSED The shape of the universe Clil – The Universe: birth and evolution Big Freeze or Big Rip Big freeze Big Crunch The point where the three different coloured lines meet represents the big bang event

28 THE SHAPE OF THE UNIVERSE Clil – The Universe: birth and evolution The shape of the universe In this picture you can have an idea about the different shapes of the universe The open universe is similar to an horse saddle The flat it looks like a carpet The closed universe it looks like the upper part of a parachute

29 The dark matter Clil – The Universe: birth and evolution Conclusions How can we demonstrate that the dark matter exists? Scientists have noted that the speed of the stars on the border of the Milky Way (our galaxy) is higher than the supposed one. This means that some matter exists there!

30 Conclusions The destiny and the shape of the universe depend not only on the density of the visible matter, but also on the so called dark matter, the one we cant see yet. In addition we have to consider the dark energy that represents the counterpart of Newtons gravity. In fact it is repulsive, not attracting. In Gran Sasso lab and in the LHC of Geneva they are trying to calculate how much dark matter and how much dark energy there are in the universe. Clil – The Universe: birth and evolution Conclusions

31 BIBLIOGRAFIA Nicola Dallaporta (1986), sguardo sullattuale cosmologia ed. Borla Franc Wilczek (2010), la leggerezza dellessere. La massa, letere e lunificazione delle forze ed. Mondadori Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): English for Science, facing the future lingue Zanichelli Aldo Conti & Lino Miramonti una particella molto sfuggente, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dellINFN Antonio Masiero & Massimo Pietroni Il lato oscuro dellUniverso in La materia oscura collana asimmetrie anno 2 n°4-giugno A cura dellINFN Angela Bracco Al cuore della materia in Nuclei e stelle collana asimmetrie anno 4 n°9- settembre A cura dellINFN Alberto Del Guerra Antimateria al lavoro per la salute in antimateria collana asimmetrie anno 3 n°7-ottobre A cura dellINFN Nicola Cabibbo Le interazioni deboli in la lunga caccia al neutrino collana asimmetrie anno 2 n°3 - dicembre A cura dellINFN A.Zullini e U.Scaioni scienze della terra, edizioni ATLAS Poster INFN , 50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia Autori vari fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto Stephen Hawking, 1988, A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes F.Bagatti & alii (2.000) elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dellatomo ai legami chimici. Luca Novelli (2007), Einstein e le macchine del tempo, in lampi di genio, ed. scienza.

32 SITOGRAFIA


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