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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
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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
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CALCOLI IN NOTAZIONE SCIENTIFICA
MULTIPLI 10 = 10 1 100 = 10 x 10 = 102 1000 = 10 x 10 x 10 = = Kilo, K 10000 = 10 x 10 x 10 x 10 = 104 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 105 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = = Mega, M = K = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 107 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Giga, G = 1000 M = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Tera, T = 1000 G
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Sottomultipli 0,1 = 1/10 = 10-1 , deci , d
0,01 = 1/100 = ,centi, c 0,001 = 1/1000 = ,milli, m 0, = 1/ = ,micro, μ 0, = 1/ = ,nano, n 0, = 1/ = , pico, p 0, = 1/ = , femto,f
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ESEMPI 5 x 104 x 8 x = 40 x 10(4 - 3) = 40 x 10 = 400 45,7 x : 7,4 x ≈ 6,175 x 10( ) = = 6,175 x 103
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ESEMPI CALCOLO DEL TEMPO T IMPIEGATO DALLA LUCE SOLARE PER RAGGIUNGERE LA TERRA d: distanza media Terra-Sole = Km = c: velocità della luce nel vuoto = 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
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ESEMPI 1 ANNO LUCE (A. L.) = = 300000 Km/s x 3600 x 24 x 365 =
= 3 x 105 x 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 ( ) Km ≈ 94,608 x Km = = 9,4608 x Km = 9460,8 x 109 Km = 9460,8 miliardi di Km
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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 ≈ ≈ 54,343 x elettroni/secondo. La corrente di 1 A = 1 Coulomb/secondo equivale allo spostamento di 1/1,6 x ≈ 6,25 x elettroni/secondo
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ESEMPI MASSA DEL PROTONE : Mp = 1,673 x 10-27 Kg
MASSA DELL' ELETTRONE Me = 0,91 x Kg IL PROTONE HA UNA MASSA Mp/Me = 1,673 x 10-27/ 0,91 x ≈ 1,838 x 103 = = 1838 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA DELL' ELETTRONE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LEUCIPPO DI MILETO
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DEMOCRITO DI ABDERA
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
L' ANTICA GRECIA
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
JOHN DALTON
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
AMEDEO AVOGADRO
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
STANISLAO CANNIZZARO
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DIMITRI MENDELEEV
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI (DI MENDELEEV)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
WILLIAM CROOKES
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
TUBI DI CROOKES (SCARICA ELETTRICA IN UN GAS RAREFATTO)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
TUBO A RAGGI CATODICI
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
HEINRICH HERTZ NEL 1886 GENERA E RIVELA A BREVE DISTANZA LE ONDE ELETTROMAGNETICHE PREVISTE TEORICAMENTE DA MAXWELL
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ONDE ELETTROMAGNETICHE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
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RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA LUCE
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LA DISPERSIONE DELLA LUCE ATTRAVERSO UN PRISMA
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SINTESI DELLA LUCE BIANCA CON IL DISCO DI NEWTON
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
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WIHLELM CONRAD ROENTGEN SCOPRE I RAGGI X (1895)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
MODERNO TUBO A RAGGI X (DI COOLIDGE)
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HENRY BECQUEREL SCOPRE LA RADIOATTIVITA' DEI SALI D'URANIO (1896)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
I CONIUGI CURIE SCOPRONO IL POLONIO ED IL RADIO ( ).
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
JOSEPH THOMSON SCOPRE L' ELETTRONE (1897)
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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)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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FRANUNHOFER INVENTA IL RETICOLO DI DIFFRAZIONE (1814) E STUDIA LO SPETTRO SOLARE
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SPETTRO DI ASSORBIMENTO SOLARE
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SPETTRI DI EMISSIONE E DI ASSORBIMENTO DEL SODIO
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I RAGGI ULTRAVIOLETTI : UVA, UVB, UVC
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KIRCHHOFF E BUNSEN INVENTANO LO SPETTROSCOPIO (1859)
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SPETTROSCOPIO
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ALBERT EINSTEIN SPIEGA L' EFFETTO FOTOELETTRICO CON L' IPOTESI DEI FOTONI (1905) (QUANTI DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA)
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ATOMO DI THOMSON
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ERNEST RUTHERFORD SCOPRE IL NUCLEO ATOMICO (1911)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
NIELS BOHR ELABORA LA TEORIA QUANTISTICA DELL' ATOMO DI IDROGENO (1913)
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ISOTOPI
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ISOTOPI
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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
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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
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CARBONIO 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
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URANIO U (0,0057 %) U92234 Z = 92, N = 142 , A = 234, URANIO U (0,7204 %) U92235 Z = 92, N = 143 , A = 235, URANIO U (99,273 %) U92238 Z = 92, N = 146 , A = 238,
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IODIO 127 (STABILE) I53127 Z = 53, N = 74 , A = 127,
IODIO (RADIOATTIVO) I53131 Z = 53, N = 78 , A = 131
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ASTON INVENTA LO SPETTROMETRO DI MASSA (1920)
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SPETTROMETRO DI MASSA PER LA RIVELAZIONE DEGLI ISOTOPI
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA
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ATOMO DI CARBONIO
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ATOMO DI CLORO
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ATOMO DI SODIO
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ATOMO DI ALLUMINIO
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ATOMO DI RAME
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ATOMO DI URANIO
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ATOMO AL MICROSCOPIO ELETTRONICO
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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)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
STRUTTURA CRISTALLINA DEL CLORURO DI SODIO
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
STRUTTURA CRISTALLINA DEL DIAMANTE E DELLA GRAFITE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
CRISTALLI DI DIAMANTE E DI GRAFITE
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LA SCOPERTA DEL DNA (1953) ROSALINDE FRANKLIN, WATSON E CRICK
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LA STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL DNA
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MODELLO DELLA STRUTTURA DEL DNA
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IL PRIMO DIFFRATTOGRAMMA A RAGGI X DEL DNA
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ARTHUR COMPTON CONFERMA SPERIMENTALMENTE L' IPOTESI DEI FOTONI DI EINSTEIN (1922)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
L' EFFETTO COMPTON CONFERMA L' ESISTENZA DEI FOTONI DI EINSTEIN
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LOUIS DE BROGLIE FORMULA L' IPOTESI ONDULATORIA DELLA MATERIA (1924)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ERWIN SCHROEDINGER ELABORA LA MECCANICA ONDULATORIA (MECCANICA QUANTISTICA) (1925)
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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
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
WERNER HEISENBERG ENUNCIA IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (1927)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DAVISSON E GERMER VERIFICANO IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLA MATERIA CONFERMANDO L' IPOTESI DI DE BROGLIE (1927)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DIFFRAZIONE DI ELETTRONI E DIFFRAZIONE DI RAGGI X ATTRAVERSO LAMINE D' ORO
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LE COSTANTI UNIVERSALI
c = km/s = 3 x 108 m/s - velocità della luce nel vuoto G = 6,67 x N x m2 /kg costante di gravitazione universale h = 6,63 x J s - costante di Planck o quanto d'azione e = 1,6 x C - carica dell' elettrone (e del protone) No = 6, x molecole/mole - numero di Avogadro
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LE LEGGI QUANTISTICHE FONDAMENTALI
ENERGIA DI UN FOTONE (EINSTEIN ) e = hn LUNGHEZZA D' ONDA ASSOCIATA AD UNA PARTICELLA (DE BROGLIE ) l = h /p p = M v quantità di moto della particella (M massa, v velocità)
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LE LEGGI QUANTISTICHE FONDAMENTALI
PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (MAX BORN - WERNER HEISENBERG ) 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
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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)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
JAMES CHADWICK SCOPRE IL NEUTRONE (1932)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ENRICO FERMI CON I “RAGAZZI” DI VIA PANISPERNA (SCUOLA DI FISICA DI ROMA )
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
ETTORE MAJORANA NEL 1933 ELABORA, PRIMA DI HEISENBERG, LA TEORIA DELLE FORZE NUCLEARI
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI (VICTOR HESS )
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
III LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI DELL' UNIVERSO
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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
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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
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE DEL MODELLO STANDARD
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UNITA' DI MISURA DELL'ENERGIA IN FISICA ATOMICA E NUCLEARE
1 eV (ELETTRONVOLT) = 1,6 x J (Joule) 1 JOULE EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UNA MASSA DI CIRCA 102 GRAMMI IN CADUTA LIBERA DALL' ALTEZZA DI 1 METRO eV EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UN CORPO DOTATO DI UNA CARICA DI 1,6 x COULOMB SOTTOPOSTO ALLA TENSIONE ACCELERATRICE DI 1 VOLT
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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 °K (°K → GRADI KELVIN = GRADI CENTIGRADI (C°) ,16)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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BARRIERA DI POTENZIALE PER LA FUSIONE NUCLEARE
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BARRIERA DI POTENZIALE TRA DUE PROTONI
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E = MC2 PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA MASSA ED ENERGIA
SE M = 1 GRAMMO, E = Kg x (3 x 108 m/s)2 = = 9 x JOULE = 9 x 1013 / 3,6 x 106 = 25 x 106 Kwh 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 = ,41/3,6 x 106 = 0,009132 KWh
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REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE
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REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE
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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 H Li7 ---> 2He He MeV (Reazione di Cockroft e Walton, 1932) L' ENERGIA PRODOTTA (17 MeV = 17 x 10 6 x 1,6 x J = = 27,2 x 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)
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LA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE PROTONE-PROTONE
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IL CICLO DI BETHE (HANS BETHE - 1938)
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IL CICLO DI BETHE (CICLO CNO - CARBONIO-AZOTO-OSSIGENO)
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DENEB SIRIO
112
LA COSTELLAZIONE DI ORIONE Betelgeuse
113
ANTARES SUPERGIGANTE ROSSA NELLA COSTELLAZIONE DELLO SCORPIONE
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BETELGEUSE E ANTARES DUE BELLISSIME SUPERGIGANTI ROSSE
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NEBULOSE PLANETARIE NEBULOSA TESTA DI CAVALLO NEBULOSA OCCHIO DI GATTO
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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 VIDEO VIDEO VIDEO 4
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EDWIN HUBBLE SCOPRE L' ESPANSIONE DELL' UNIVERSO (1929)
118
LA LEGGE DI HUBBLE V = HR
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GEORGE GAMOW FORMULA LA TEORIA DEL BIG BANG (1946)
120
IL BIG BANG
122
ARNO E PENZIAS SCOPRONO LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO (1964)
123
ALAN GUTH FORMULA LA TEORIA DELL' INFLAZIONE COSMICA (1979)
124
LA LINEA DEL TEMPO DELL' UNIVERSO
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