LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE Laboratorio di Fisica Nucleare Prof. E. Maina Specializzande: Bertolina Lucia Di Maggio Luisa Ferrari Trecate Irene

Contesto Tempi Metodologia Classe 5a di liceo scientifico con programma PNI Tempi 6 ore di lezione: 4 per poter spiegare adeguatamente i concetti prefissati 2 ore da dedicare alle letture proposte   Metodologia Lezioni a carattere frontale. Lezione a carattere dialogato Lavori di gruppo.

Prerequisiti Prerequisiti matematici § Il calcolo algebrico §        I logaritmi e le funzioni esponenziali §        Il calcolo delle derivate   Prerequisiti fisici §        Le leggi del moto di Newton §        La legge di conservazione della quantità di moto §        La legge di conservazione dell’energia §        La forza elettrica e il campo elettrico §        La forza magnetica e il campo magnetico §        Il moto delle particelle cariche §        Lo spettro elettromagnetico e le sue radiazioni Prerequisiti chimici §        Gli isotopi §        Le reazioni chimiche e il loro bilanciamento §        La massa atomica

Obiettivi Obiettivi generali §        Conoscere aspetti di storia della fisica atomica §        Capire che la fisica non è una scienza immutabile ma una scienza in continua evoluzione e aggiornamento §        Conoscere le basi sperimentali dei vari concetti fisici presentati §        Leggere, capire ed interpretare testi di fisica in lingua originale (lingua inglese)   Obiettivi specifici §        Conoscere le basi sperimentali e teoriche che portano alle scoperte degli elettroni, del nucleo atomico, dei protoni e dei neutroni. §        Conoscere i dettagli delle varie scoperte presentate, riuscendo a coglierne gli aspetti essenziali. §        Conoscere e capire le conseguenze delle scoperte presentate, dando loro il giusto peso nella storia della fisica. §        Analizzare articoli scientifici originali, cogliendone i punti essenziali e capendo come si strutturavano le ricerche scientifiche di inizio 1900.

Collegamenti interdisciplinari Lettura di testi di fisica originali in collaborazione con il docente di lingua inglese   Materiale e sussidi Il libro di testo adottato Schede preparate dal docente Le letture dei testi originali Valutazione Questionario, della durata di un’ora, inerente gli argomenti trattati e le letture storiche presentate, anche con domande in lingua inglese

Presentazione dell’argomento L’unità didattica che tratteremo, sviluppata seguendo una linea guida di tipo storico  cronologico, tocca i seguenti punti: o       La scoperta dell’elettrone o       La scoperta del nucleo o       I numeri atomici o       La scoperta del protone o       La scoperta del neutrone

LA SCOPERTA DELL’ELETTRONE ( J. J. Thomson ) Nel tubo a raggi catodici le particelle passano attraverso una regione di deflessione L1, in cui sono soggette a forze elettriche o magnetiche, agenti ad angolo retto rispetto alla loro direzione originale, e che poi passano attraverso una regione di drift L2, in cui si muovono liberamente fino ad urtare il fondo del tubo: quando urtano il fondo appare un alone luminoso. La formula ricavata risulta essere:   = al fondo del tubo Massa del raggio × (velocità del raggio)2 Deflessione dei raggi Forza sul raggio × L1 × L2

Introducendo un campo elettrico Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2 = dovuto ad Massa del raggio × (velocità del raggio)2   Introducendo un campo magnetico Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2 = dovuto a Massa del raggio × velocità del raggio

  Deduced Deduced ratio of Gas in velocity particle cathode- Material Electric Electric Magnetic Magnetic of ray mass ray of field deflection field deflection particles to charge tube cathode (N/C) (m) (Niamp.m) (m) (mlsec) (kgIC) Air Aluminum 1.5 x 104 0.08 5.5 x 10-4 2.7 x 107 1.4 x 10-11 0.095 5.4 x 10-4 2.8 x 107 1.1 x 10-11 0.13 6.6 x 10-4 2.2 x 107 1.2 x 10-11 Hydrogen 0.09 6.3 x 10-4 2.4 x 107 1.6 x 10-11   Carbon dioxide 0.11 6.9 x 10-4 Platinum 1.8 x 104 0.06 5.0 x 10-4 3.6 x 107 1.3 x 10-11 1.0 x 104 0.07 3.6 x 10-4 1.0 x 10-11  

Rapporto calore – carica elettrica Calore ½  massa  (velocità)2 = Carica depositata Carica elettrica delle particelle Gas in cathode Measured ratio Mass x Velocity Deduced Deduced ray tube of heat energy Electric charge velocity mass/charge to charge deposited (Kg M/sec C) (m/sec) ratio (J/C) (Kg/C)   Tube 1: Air 4.6 x 103 2.3x 10-4 4x 107 0.57x 10-11 Air 1.8 x 104 3.5 x 10-4 108 0.34x 10-11 Air 6.1 x 103 2.3 x 10-4 5.4x 107 0.43x 10-11 Air 2.5 x 104 4.0 x 10-4 1.2x 108 0.32x 10-11 Air 5.5 x 103 2.3 x 10-4 4.8x 107 0.48x 10-11 Air 104 2 .85x 10-4 7x 107 0.4x 10-11 Air 104 2.85 x 10-4 7x 107 0.4x 10-11 Hydrogen 6 x 104 2.05x 10-4 6x 107 0.35x 10-11 Hydrogen 2.1 x 104 4.6 x 10-4 9.2x 107 0.5x 10-11 Carbon dioxide 8.4 x 103 2.6 x 10-4 7.5x 107 0.4x 10-11 Carbon dioxide 1.47 x 104 3.4 x 10-4 8.5x 107 0.4x 10-11 Carbon dioxide 3 x 104 4.8 x 10-4 1.3x 108 0.39x 10-11

Esperienza con Geiger e Marsden dello scattering  (1911) LA SCOPERTA DEL NUCLEO ( E. Rutherford) Esperienza con Geiger e Marsden dello scattering  (1911)

I NUMERI ATOMICI E. Rutherford (1911)

H. G. Moseley (1913)

LA SCOPERTA DEL PROTONE (E. Rutherford) 7N14 + 2He4  8O17 + 1H1

LA SCOPERTA DEL NEUTRONE (J. Chadwick) Problema: se l’atomo è fatto solo da protoni ed elettroni, come mai A > Z, ad eccezione dell’idrogeno? I. Curie e F. Joliot

J. Chadwick (1932) Velocità Velocità iniziale Peso atomico raggio rinculo raggio Peso atomico raggio + Peso atomico nucleo di = 2  del 

Calcolo della massa del neutrone paraffina neutrone protone vp v’ v Vp=0 a partire da: si ricava: