DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE PERCORSO 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 ATOMICA DELLA 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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LEUCIPPO DI MILETO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DEMOCRITO DI ABDERA

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE L' ANTICA GRECIA

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JOHN DALTON

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE AMEDEO AVOGADRO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STANISLAO CANNIZZARO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DIMITRI MENDELEEV

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI (DI MENDELEEV)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WILLIAM CROOKES

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE TUBI DI CROOKES (SCARICA ELETTRICA IN UN GAS RAREFATTO)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE TUBO A RAGGI CATODICI

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE HEINRICH HERTZ NEL 1886 GENERA E RIVELA A BREVE DISTANZA LE ONDE ELETTROMAGNETICHE PREVISTE TEORICAMENTE DA MAXWELL

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ONDE ELETTROMAGNETICHE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA LUCE

LA DISPERSIONE DELLA LUCE ATTRAVERSO UN PRISMA

SINTESI DELLA LUCE BIANCA CON IL DISCO DI NEWTON

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WIHLELM CONRAD ROENTGEN SCOPRE I RAGGI X (1895)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE MODERNO TUBO A RAGGI X (DI COOLIDGE)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE HENRY BECQUEREL SCOPRE LA RADIOATTIVITA' DEI SALI D'URANIO (1896)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE I CONIUGI CURIE SCOPRONO IL POLONIO ED IL RADIO (1898 - 1902).

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JOSEPH THOMSON SCOPRE L' ELETTRONE (1897)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE II MATERIA 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)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ALBERT EINSTEIN SPIEGA L' EFFETTO FOTOELETTRICO CON L' IPOTESI DEI FOTONI (1905) (QUANTI DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

ATOMO DI THOMSON

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ERNEST RUTHERFORD SCOPRE IL NUCLEO ATOMICO (1911)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE NIELS BOHR ELABORA LA TEORIA QUANTISTICA DELL' ATOMO DI IDROGENO (1913)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

ISOTOPI

ISOTOPI

IDROGENO H11 Z = 1 , N = 0 , A = 1 DEUTERIO D o H12 Z = 1 , N = 1 , A = 2 TRIZIO T o H13 Z = 1 , N = 2 , A = 3

Z = 6, N = 6 , A = 12 LITIO Li 3 7 Z = 3, N = 4 , A = 7 BORO B5 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 %) U92234 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) I53127 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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WILLIAM HENRY BRAGG E WILLIAM LAWRENCE BRAGG SCOPRONO LA STRUTTURA CRISTALLINA DELLA MATERIA CON ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X (1913)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STRUTTURA CRISTALLINA DEL CLORURO DI SODIO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STRUTTURA CRISTALLINA DEL DIAMANTE E DELLA GRAFITE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ARTHUR COMPTON CONFERMA SPERIMENTALMENTE L' IPOTESI DEI FOTONI DI EINSTEIN (1922)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE L' EFFETTO COMPTON CONFERMA L' ESISTENZA DEI FOTONI DI EINSTEIN

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LOUIS DE BROGLIE FORMULA L' IPOTESI ONDULATORIA DELLA MATERIA (1924)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ERWIN SCHROEDINGER ELABORA LA MECCANICA ONDULATORIA (MECCANICA QUANTISTICA) (1925)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WOLFGANG PAULI ENUNCIA IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (1925) CONSENTENDO DI SPIEGARE QUANTISTICAMENTE LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA E LA TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WERNER HEISENBERG ENUNCIA IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (1927)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DAVISSON E GERMER VERIFICANO IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLA MATERIA CONFERMANDO L' IPOTESI DI DE BROGLIE (1927)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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 QUANTISTICHE FONDAMENTALI ENERGIA DI UN FOTONE (EINSTEIN - 1905) e = hn LUNGHEZZA D' ONDA ASSOCIATA AD UNA PARTICELLA (DE BROGLIE - 1924) l = 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

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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JAMES CHADWICK SCOPRE IL NEUTRONE (1932)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ENRICO FERMI CON I “RAGAZZI” DI VIA PANISPERNA (SCUOLA DI FISICA DI ROMA - 1934)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ETTORE MAJORANA NEL 1933 ELABORA, PRIMA DI HEISENBERG, LA TEORIA DELLE FORZE NUCLEARI

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI (VICTOR HESS - 1912)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE III LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI DELL' UNIVERSO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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 NEUTRINO ELETTRONICO MUONICO TAUONICO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE DEL MODELLO STANDARD

UNITA' DI MISURA DELL'ENERGIA IN 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)

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

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 KWh

REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE

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 + MB DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE E' SEMPRE LIEVEMENTE MINORE DELLA SOMMA MC + MD DELLE MASSE DEI REAGENTI. ESEMPIO: NELLA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE 1H1 + 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 ORIONE Betelgeuse

ANTARES SUPERGIGANTE ROSSA NELLA COSTELLAZIONE DELLO SCORPIONE

BETELGEUSE E ANTARES DUE BELLISSIME SUPERGIGANTI ROSSE

NEBULOSE PLANETARIE NEBULOSA TESTA DI CAVALLO NEBULOSA OCCHIO DI GATTO

DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE 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 HUBBLE V = HR

GEORGE GAMOW FORMULA LA TEORIA DEL BIG BANG (1946)

IL BIG BANG

ARNO E PENZIAS SCOPRONO LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO (1964)

ALAN GUTH FORMULA LA TEORIA DELL' INFLAZIONE COSMICA (1979)

LA LINEA DEL TEMPO DELL' UNIVERSO