1 Fisica ed Astrofisica dei Raggi Cosmici Corso-Laboratorio a.a. 2005/06 Progetto Lauree Scientifiche prof. Maurizio Spurio

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2 1 Fisica ed Astrofisica dei Raggi Cosmici Corso-Laboratorio a.a. 2005/06 Progetto Lauree Scientifiche prof. Maurizio Spurio spurio@bo.infn.it

3 2 Sommario 1. I Raggi Cosmici 1.1 Generalità e prime osservazioni 1.2 Misure dirette e composizione chimica La nostra Galassia La nostra Galassia Le Supernovae originano i RC Le Supernovae originano i RC 1.3 Misure Indirette Possibili sorgenti extragalattiche Possibili sorgenti extragalattiche 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

4 3 Sommario 1. I Raggi Cosmici 1.1 Generalità e prime osservazioni 1.2 Misure dirette e composizione chimica La nostra Galassia La nostra Galassia Le Supernovae originano i RC Le Supernovae originano i RC 1.3 Misure Indirette Possibili sorgenti extragalattiche Possibili sorgenti extragalattiche 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

5 4 La scoperta dei RC Lesistenza dei Raggi Cosmici fu scoperta da Victor Hess agli inizi del 1900. La radioattività era stata da poco scoperta. Il problema: sembrava che nellambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale. radioattivitànaturale Inoltre,allontanandosi dalla Terra (dove ci sono le rocce radioattive), la radioattività sembrava aumentare.

6 5 Il primo esperimento Nel 1912, Hess caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per misurare le particelle cariche. Nel volo, si dimostrò come la radiazione aumentava con laltitudine. Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre (come la radioattività naturale) ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici

7 6 Complementi 1: La Radioattività naturale

8 7 I Raggi Cosmici sulla Terra I RC bombardano continuamente la Terra: circa 100000 particelle originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora. Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti. Laboratorio 1: Vedremo alcune tecniche sperimentali (rivelatori nucleari a tracce) per la misura della radioattività.

9 8 RC Primari e Secondari Sorgente Astrofisica (Resto di Supernova) Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) Sciame di particelle secondarie = RC secondari Atmosfera Terrestre

10 9 Misurare i RC Primari Occorre andare molto in alto, al limite dellatmosfera, per intercettare il RC prima che interagisca coi nuclei dellAtmosfera (con palloni, satelliti, base spaziale). Occorre andare molto in alto, al limite dellatmosfera, per intercettare il RC prima che interagisca coi nuclei dellAtmosfera (con palloni, satelliti, base spaziale). Laboratorio 2: Analisi dei dati di un rivelatore trasportato da un pallone (esperimento CAKE) per la misura della composizione chimica dei RC.

11 10 Un gruppo di Bologna collabora per la costruzione di un rivelatore di RC da istallare sulla Stazione Spaziale Internazionale (esperimento AMS-2).

12 11 Spettro Energetico dei raggi cosmici TOT ~1000 m -2 s -2 sr -1 TOT ~1000 m -2 s -2 sr -1 Misure dirette: 90% p, 9% He, 1% nuclei pesanti Misure dirette: 90% p, 9% He, 1% nuclei pesanti Si estende per 11 ordini di grandezza in energia: da 1 GeV a 10 11 GeV Si estende per 11 ordini di grandezza in energia: da 1 GeV a 10 11 GeV Legge di potenza su tutto lo spettro, con due cambi di pendenza Legge di potenza su tutto lo spettro, con due cambi di pendenza Misure dirette Misure Indirette (EAS) Ginocchio Caviglia Nota: i Fisici misurano spesso le energie in GeV anziché in Joule. 1 GeV = 1.6 x 10 -10 J. Poiché E=mc 2, la massa del protone corrisponde circa a 1 GeV.

13 12 Misurare i RC Secondari I RC Primari (90% protoni, 9% nuclei ) in arrivo sulla sommità dellatmosfera interagiscono producendo uno sciame di particelle. Tra queste, sopravvivono sino alla superficie della terra gli elettroni ed i muoni. Laboratorio 3: Comprenderemo ed useremo le tecniche sperimentali per misurare i muoni che arrivano al suolo (telescopio per muoni). RC Primario RC secondari

14 13 Sommario 1. I Raggi Cosmici 1.1 Generalità e prime osservazioni 1.2 Misure dirette e composizione chimica La nostra Galassia La nostra Galassia Le Supernovae originano i RC Le Supernovae originano i RC 1.3 Misure Indirette Possibili sorgenti extragalattiche Possibili sorgenti extragalattiche 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

15 14 La composizione Chimica dei RC LA TABELLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI: Uno dei principali argomenti di ricerca dellastrofisica è comprendere come si siano formati gli elementi chimici (vedi Complementi 2). Noi conosciamo la composizione chimica del nostro Sistema Solare (SS). Questa, deriva dal processo di formazione del SS stesso.

16 15 La composizione Chimica del SS Ad esempio, sulla Terra, lOro (Au) è circa 5x10 -6 meno abbondante del Ferro (Fe); Questo deriva da un meccanismo universale: il Fe si forma allinterno delle stelle più massicce (>8 M S ), durante la loro vita normale. Quando nel nucleo della stella si è formato il Fe, essa cessa di funzionare, ed esplode (supernova). LAu si forma quando le stelle più grandi esplodono. Il rapporto (Au/Fe) è circa costante in tutta la Galassia. (Per questo, gli alchimisti cercavano di tramutare il Fe in Au, e non viceversa!)

17 16 La composizione Chimica : confronto tra il Sistema Solare e i RC C,N,O Li,Be,B Fe 79, Au Elementi formati nella Nucleosintesi stellare Elementi formati nella esplosione (supernova)

18 17 Osservazione 1 I Raggi Cosmici hanno una somiglianza molto forte con composizione chimica del materiale presente attorno al Sistema Solare! Come vedremo, i RC NON provengono dal Sistema Solare, ma navigano nella Galassia per milioni di anni (vai a confinamento dei RC)confinamento dei RC Quindi il meccanismo che origina i Raggi Cosmici è lo stesso meccanismo che ha originato il Sistema Solare.

19 18 Dallo studio della sua composizione chimica: chi ha originato il Sistema Solare? Complementi 2: Reazioni nucleari nelle Stelle e Supernovae

20 19 Big Bang (13.7 Gy) Galassie Formazione di stelle Stella Supernova Nebula M < 8 M sole M > 8 M sole

21 20 Il Sistema solare e i RC Dalla presenza di elementi pesanti (ed anche quelli superiori al Fe) deduciamo che il sistema Solare è stato generato (5Gy) da una esplosione di una stella più massiccia del Sole, che ha originato il Sole e tutti i pianeti. Dalla presenza di elementi pesanti (ed anche quelli superiori al Fe) deduciamo che il sistema Solare è stato generato (5Gy) da una esplosione di una stella più massiccia del Sole, che ha originato il Sole e tutti i pianeti. Ciò è dimostrato dal fatto che sulla Terra (come su tutti gli altri pianeti, e sul Sole) sono presenti tutti gli elementi chimici sino all Uranio. Ciò è dimostrato dal fatto che sulla Terra (come su tutti gli altri pianeti, e sul Sole) sono presenti tutti gli elementi chimici sino all Uranio. I RC, avendo una composizione chimica analoga a quella del nostro Sistema Solare, sono particelle provenienti ed accelerate da analoghe esplosioni allinterno della Galassia. I RC, avendo una composizione chimica analoga a quella del nostro Sistema Solare, sono particelle provenienti ed accelerate da analoghe esplosioni allinterno della Galassia.

22 21 Il Sistema solare e i RC I RC devono: provenire dallesterno del nostro Sistema Solare provenire dallesterno del nostro Sistema Solare rimanere confinati per circa 10 milioni di anni allinterno della Galassia. rimanere confinati per circa 10 milioni di anni allinterno della Galassia. Come si possono dimostrare questi fatti? Chi confina i RC allinterno della nostra Galassia?

23 22 Il confinamento dei RC C,N,O Li,Be,B Lastrofisica stellare ci dice che Li, Be, B servono per catalizzare le reazioni di fusione nucleare nel nucleo delle stelle. Li,Be,B presenti la stella funziona. Li,BE,B assenti la stella collassa (Supernova, SN). Notate ora la differenza!

24 23 Produzione di Li,Be,B nella propagazione dei RC Nelle esplosioni delle SN non vengono emessi Li, Be, B. Nel nostro sistema solare, questi tre elementi sono molto scarsi (rari come loro). E una ulteriore conferma che il Sistema Solare è stato generato da una SN Nei RC sono invece abbondanti, quasi come il C, N, O (elementi molto comuni). Come si spiega questo fatto?

25 24 La presenza di Li, Be, B nei Raggi cosmici è un indizio molto importante. La presenza di Li, Be, B nei Raggi cosmici è un indizio molto importante. Nei RC, il rapporto misurato tra nuclei: R=#(Li+Be+B) / #(C+N+O) = 0,25 Nei RC, il rapporto misurato tra nuclei: R=#(Li+Be+B) / #(C+N+O) = 0,25 (vedi figura pagina 22) (vedi figura pagina 22) Possiamo fare la seguente supposizione: i nuclei C,N,O producono nuclei di Li,Be,B per frammentazione nellurto col gas interstellare, durante la propagazione nella Galassia. Possiamo fare la seguente supposizione: i nuclei C,N,O producono nuclei di Li,Be,B per frammentazione nellurto col gas interstellare, durante la propagazione nella Galassia. Frammentazione dei nuclei

26 25 Misura sperimentale dello spessore di materiale per riprodurre R Possiamo immaginare un esperimento che riproduca il valore sperimentale del rapporto R= #(Li+Be+B)/#(C+N+O) = 0,25 Possiamo immaginare un esperimento che riproduca il valore sperimentale del rapporto R= #(Li+Be+B)/#(C+N+O) = 0,25 In un acceleratore di particelle, inviamo un fascio di nuclei C,N,O contro un bersaglio di rivelatori nucleari a traccia. In un acceleratore di particelle, inviamo un fascio di nuclei C,N,O contro un bersaglio di rivelatori nucleari a traccia. Nel passaggio nei rivelatori, alcuni nuclei C,N,O si frammentano per diventare Li,Be,B. Nel passaggio nei rivelatori, alcuni nuclei C,N,O si frammentano per diventare Li,Be,B. Domanda: quale è lo spessore di bersaglio necessario perché R=0,25 ? Domanda: quale è lo spessore di bersaglio necessario perché R=0,25 ?

27 26 Produzione di Li,Be,B da frammentazione di nuclei di C,N,O: Esperimento simulato (attenuazione.xlm). Esperimento simulato (attenuazione.xlm). Esperimento simulato Esperimento simulato Valore misurato del rapporto R nei RC

28 27 Misura di X Misura di X Lo spessore di rivelatore X (densità media 0.95 g/cm 3 ) tale che il rapporto tra nuclei di C,N,O fascio e nuclei Li,Be,B frammenti corrisponde 5.1 cm. Lo spessore di rivelatore X (densità media 0.95 g/cm 3 ) tale che il rapporto tra nuclei di C,N,O fascio e nuclei Li,Be,B frammenti corrisponde 5.1 cm. Poiché questo spessore dipende dalla densità del mezzo attraversato, lo esprimiamo : Poiché questo spessore dipende dalla densità del mezzo attraversato, lo esprimiamo : (notate che questo corrisponde al percorso che il fascio avrebbe percorso in acqua, la cui densità è di 1 g/cm 3 )

29 28 Tempo di Permanenza dei RC nella Galassia I RC si muovono nella Galassia, non nellacqua o nel rivelatore. Il percorso X IG nella galassia sarà estremamente elevato, poiché gli astronomi ci dicono che la densità del mezzo interstellare nella Galassia IG = 1 protone/cm 3 = 1.6 10 -24 g/cm 3 I RC si muovono nella Galassia, non nellacqua o nel rivelatore. Il percorso X IG nella galassia sarà estremamente elevato, poiché gli astronomi ci dicono che la densità del mezzo interstellare nella Galassia IG = 1 protone/cm 3 = 1.6 10 -24 g/cm 3

30 29 Tempo di Permanenza dei RC nella Galassia Gli astronomi preferiscono misurare le distanze di oggetti astrofisici in parsec. 10 18 cm 1 parsec = 3x10 18 cm Dunque, il percorso dei raggi cosmici nella Galassia corrisponde a: Dunque, il percorso dei raggi cosmici nella Galassia corrisponde a: Domanda: E tanto o poco?

31 30 Dimensioni della Galassia 15 kpc 200 pc I RC permangono nella Galassia, percorrendo circa 1 Mpc, percorso >> del diametro della Galassia. Perché non sono fuggiti? Quale meccanismo li intrappola ?

32 31 Per la forza di Lorentz le particelle cariche si muovono su orbite circolari. Assumiamo una regione in cui B e uniforme e costante; la particella entra con velocità ortogonale a B. La forza ha modulo qvB, ed e diretta verso il centro. Raggio Moto di una particella carica in campo magnetico

33 32 Campo Magnetico Galattico La Galassia ha un Campo Magnetico pari a circa 3x10 -6 Gauss =3x10 -10 T La Galassia ha un Campo Magnetico pari a circa 3x10 -6 Gauss =3x10 -10 T La direzione e verso del campo magnetico Galattico variano in continuazione (su scale di distanze dellordine di 10 pc). La direzione e verso del campo magnetico Galattico variano in continuazione (su scale di distanze dellordine di 10 pc).

34 33 Raggio di curvatura dei RC E il campo magnetico galattico che confina ed intrappola i RC per un tempo molto lungo, sino a quando i RC raggiungono il bordo della Galassia e riescono a fuggire. E il campo magnetico galattico che confina ed intrappola i RC per un tempo molto lungo, sino a quando i RC raggiungono il bordo della Galassia e riescono a fuggire. Il raggio di curvatura di un nucleo relativistico (con v=c) di carica q=Ze in campo magnetico B: Il raggio di curvatura di un nucleo relativistico (con v=c) di carica q=Ze in campo magnetico B:

35 34 Raggio di curvatura dei RC Consideriamo un protone di E~10 6 GeV = 1.6x10 -4 J Consideriamo un protone di E~10 6 GeV = 1.6x10 -4 J Il valore del raggio di curvatura di questo protone è molto più piccolo dello spessore della Galassia Il valore del raggio di curvatura di questo protone è molto più piccolo dello spessore della Galassia

36 35 Effetto del Campo Magnetico Galattico sui RC <10 6 GeV: intrappolati in piccole regioni della Galassia. <10 6 GeV: intrappolati in piccole regioni della Galassia. <10 9 GeV: RC ben confinati nella galassia <10 9 GeV: RC ben confinati nella galassia 10 10 GeV: sorgenti extragalattiche 10 10 GeV: sorgenti extragalattiche ~ 10 11 GeV la deviazione nella Galassia < 1° ~ 10 11 GeV la deviazione nella Galassia < 1° Ricorda la figura con lo spettro energetico dei RC

37 36 Tempo di permanenza dei RC nella Galassia A causa della deflessione nel Campo magnetico, non è possibile fare astronomia coi RC (non puntano alla sorgente); le direzioni di provenienza sono random. A causa della deflessione nel Campo magnetico, non è possibile fare astronomia coi RC (non puntano alla sorgente); le direzioni di provenienza sono random. I Raggi cosmici sono dunque intrappolati dal campo magnetico galattico allinterno della Galassia stessa. I Raggi cosmici sono dunque intrappolati dal campo magnetico galattico allinterno della Galassia stessa. Sai calcolare il tempo di permanenza dei RC con i dati sinora in possesso? (Risposta: 3 10 6 anni) Sai calcolare il tempo di permanenza dei RC con i dati sinora in possesso? (Risposta: 3 10 6 anni)

38 37 Sommario 1. I Raggi Cosmici 1.1 Generalità e prime osservazioni 1.2 Misure dirette e composizione chimica La nostra Galassia La nostra Galassia Le Supernovae originano i RC Le Supernovae originano i RC 1.3 Misure Indirette Possibili sorgenti extragalattiche Possibili sorgenti extragalattiche 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

39 38 Raggi Cosmici Secondari (RCS) cosmic ray proton Secondary particles Decay products Electron- photon cascades I RC secondari sono prodotti dallinterazione dei primari nellatmosfera. I RCS sono principalmente composti da elettroni, muoni ed adroni. Nei RCS sono presenti neutrini.

40 39 Raggi cosmici Secondari Luomo si è adattato alla presenza di RCS. Tuttavia, il loro flusso cresce allaumentare della quota (Hess, 1912). Possibili problemi per la lunga permanenza delluomo nelo spazio. I RC di energia estrema sono misurabili solo attraverso gli sciami prodotti nellatmosfera. Flusso a diverse quote dei RCS. Il possibile danno biologico provocato dalle tre componenti è diverso. protoni elettroni muoni

41 40 Simulazione al computer di una Cascata di particelle

42 41 Simulazione MC di una Cascata Elettroni

43 42 Simulazione MC di una Cascata Gamma

44 43 Simulazione MC di una Cascata Muoni

45 44 Simulazione MC di una Cascata Adroni

46 45 RC di energia estrema I RC di elevata energia (>10 19 eV) sono estremamente rari, a causa del basso flusso. I RC di elevata energia (>10 19 eV) sono estremamente rari, a causa del basso flusso. Occorrono enormi superfici attrezzate per rivelarli. Occorrono enormi superfici attrezzate per rivelarli. La loro origine è incerta: non si conoscono oggetti nella Galassia in grado di fornire tanta energia. La loro origine è incerta: non si conoscono oggetti nella Galassia in grado di fornire tanta energia. I RC di energia estrema sono probabilmente di origine extragalattica! I RC di energia estrema sono probabilmente di origine extragalattica! Origine Galattica! Origine Extragalattica ?

47 46 Rivelatore di sciami: 1600 taniche cilindriche (ciascuna di 10 m 2 ed alte 1.5 m) riempite di acqua, per rivelare al suolo gli sciami di elettroni Rivelatore di sciami: 1600 taniche cilindriche (ciascuna di 10 m 2 ed alte 1.5 m) riempite di acqua, per rivelare al suolo gli sciami di elettroni Il rivelatore di sciami misura la distribuzione laterale e temporale dello sciame Il rivelatore di sciami misura la distribuzione laterale e temporale dello sciame Distanza tra taniche: 1.5 km Distanza tra taniche: 1.5 km Area di forma esagonale, di 60 60 km2 Area di forma esagonale, di 60 60 km2 AUGER: un esperimento per RC di energia estrema

48 47 Il principio della rivelazione degli sciami con EAS e determinazione della direzione del primario T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 T5T5

49 48 solo 1 evento / km² secolo : 1600 rivelatori water – Cherenkov Auger SUD ~ 3000 km² + 6 telescopi di luce di fluorescenza 60 km

50 49

51 50 Candidates for EHE C.R. accelerator PulsarSNR A.G.N. GRB Radio Galaxy Lobe

52 51 BATSE rate ~1 per day No repetions, full isotropy I Gamma Ray Burst: uno dei più energetici eventi nellunverso

53 52 Protoni di alta energia: 50 Mpc neutrini sorgente Protoni di bassa energia: deflessi Fotoni di alta energia: 10 Mpc Lastronomia con RC o di alte energie ha dei limiti

54 53 Schema di un telescopio per neutrini neutrino muon Cherenkov light ~5000 PMT Connection to the shore neutrino atmospheric muon depth >3000m

55 54 N X W interazione 43° Principio di rivelazione dei neutrini La luce viene rivelata dagli occhi elettronici e la traccia ricostruita Nel mare profondo (3000-4000 m) vengono disposti degli occhi elettronici capaci di vedere la luce emessa dal passaggio di particelle cariche

56 55 electro optical cable: construction and deployment Data transmission system Underwater connections Detector: design and construction deployment and recovery Power transmission system Electronics Power Distribution Acoustic positioning Il telescopio NEMO

57 56 Sommario 1. I Raggi Cosmici 1.1 Generalità e prime osservazioni 1.2 Misure dirette e composizione chimica La nostra Galassia La nostra Galassia Le Supernovae originano i RC Le Supernovae originano i RC 1.3 Misure Indirette Possibili sorgenti extragalattiche Possibili sorgenti extragalattiche 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

58 57 2.1 RC ed origine della vita La radiazione ionizzante ha effetto sulla combinazione/ dissociazione di composti; La radiazione ionizzante ha effetto sulla combinazione/ dissociazione di composti; La radiazione ha effetti sulla mutazione del DNA; La radiazione ha effetti sulla mutazione del DNA; La Terra primordiale non era schermata dallatmosfera; La Terra primordiale non era schermata dallatmosfera; I RC hanno sicuramente avuto un ruolo nella evoluzione delle specie I RC hanno sicuramente avuto un ruolo nella evoluzione delle specie

59 58 2.2 I RC e la vita nello spazio I RC influenzano (negativamente) la possibilità di colonizzare lo spazio. I RC influenzano (negativamente) la possibilità di colonizzare lo spazio. In pratica, lassenza dellatmosfera impedisce la protezione dai danni biologici provocati dai RC; In pratica, lassenza dellatmosfera impedisce la protezione dai danni biologici provocati dai RC; Lo stesso danno può essere provocato ai microprocessori e chips. Lo stesso danno può essere provocato ai microprocessori e chips. Cfr: Al9000 in 2001 Odissea nello Spazio Cfr: Al9000 in 2001 Odissea nello Spazio

60 59 2.3 I RC e le telecomunicazioni Il Sole è una intensa sorgente di RC di bassa energia. Il Sole è una intensa sorgente di RC di bassa energia. Il sole occasionalmente emette violenti flares che disturbano le telecomunicazioni Il sole occasionalmente emette violenti flares che disturbano le telecomunicazioni

61 60 2.4 I RC e la datazione dei reperti I RC producono RC Secondari nellatmosfera. Tra questi, i neutroni (n). I RC producono RC Secondari nellatmosfera. Tra questi, i neutroni (n). I n sono catturati dal 12 C, e formano lisotopo 14 C; I n sono catturati dal 12 C, e formano lisotopo 14 C; Lisotopo 14 C ha una vita media di circa 5000 anni; Lisotopo 14 C ha una vita media di circa 5000 anni; Lisotopo 14 C viene metabolizzato dagli organismi viventi e piante come il 12 C. Il rapporto tra numero di atomi dei due tipi è costante negli organismi viventi. Lisotopo 14 C viene metabolizzato dagli organismi viventi e piante come il 12 C. Il rapporto tra numero di atomi dei due tipi è costante negli organismi viventi. Quando un organismo (vegetale o animale) muore, gli isotopo 14 C cominciano a decadere. Il rapporto tra i due isotopo comincia a variare. Quando un organismo (vegetale o animale) muore, gli isotopo 14 C cominciano a decadere. Il rapporto tra i due isotopo comincia a variare. Dalla conoscenza del rapporto, è possibile datare loggetto, a partire dalla data di morte. Dalla conoscenza del rapporto, è possibile datare loggetto, a partire dalla data di morte.

62 61 Conclusioni I prossimi 10-20 anni saranno importantissimi per la fisica dei RC: I prossimi 10-20 anni saranno importantissimi per la fisica dei RC: Lesperimento AMS-2 potrà misurare con statistica enorme i RC di bassa energia (flusso, composizione chimica…) Lesperimento AMS-2 potrà misurare con statistica enorme i RC di bassa energia (flusso, composizione chimica…) Lesperimento AUGER misurerà i RC di energia estrema (origine extragalattica?) Lesperimento AUGER misurerà i RC di energia estrema (origine extragalattica?) I Telescopi per neutrini potranno individuare le sorgenti di RC nella Galassia (pulsar, SN remnants, microquasar…) I Telescopi per neutrini potranno individuare le sorgenti di RC nella Galassia (pulsar, SN remnants, microquasar…) Nuovi satelliti daranno informazione sulla fisica dei GRBs Nuovi satelliti daranno informazione sulla fisica dei GRBs Eventuali nuovi fenomeni potranno essere scoperti. Eventuali nuovi fenomeni potranno essere scoperti.

63 62 Fine

64 63 Complementi 1: La radioattività

65 64 La radioattività: atomi La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è antica quanto lUniverso ed è presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi. Il nucleo dellatomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla). L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo.

66 65 La struttura dellatomo è la stessa per tutti gli elementi chimici che conosciamo. Quello che cambia da un elemento allaltro è il numero dei protoni e dei neutroni che latomo contiene. Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamatonumero atomico e si indica con la lettera Z. L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio... Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata numero di massa. I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A (ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono chiamati isotopi. La radioattività: isotopi

67 66 La radioattività: i decadimenti Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi. La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata decadimento radioattivo.

68 67 La radioattività: la vita media Il tempo medio che occorre aspettare (che può essere estremamente breve o estremamente lungo) viene detto vita media del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni.

69 68 Radiazioni alfa, beta e gamma Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni. alfa beta gamma

70 69 La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Le radiazioni sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta Le radiazioni sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta

71 70 La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento Decadimento : Il nucleo emette un e- e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A. Decadimento : Il nucleo emette un e- e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici

72 71 La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento Decadimento : Il nucleo non si trasforma ma passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella o. Decadimento : Il nucleo non si trasforma ma passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella o. Al contrario delle radiazioni e, le radiazioni sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. Al contrario delle radiazioni e, le radiazioni sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. Utilizzo: terapie oncologiche Utilizzo: terapie oncologiche

73 72 Complementi 2: Reazioni Nucleari nelle Stelle Supernovae SN1987A

74 73 La teoria (Big Bang) e le osservazioni sullevoluzione dellUniverso mostrano che la sua età 14 miliardi di anni. LUniverso primordiale (a partire da 3 minuti, era composto solamente di nuclei di H e He. Solo idrogeno ed elio !!! Come si sono potuti formare gli elementi più pesanti della Tabella periodica, necessari per la spiegare labbondanza degli elementi?? Come è nato il Sistema Solare?-1

75 74 La materia, a causa dellattrazione gravitazionale, ha cominciato ad aggregarsi in gigantesche ammassi; Questi grandi ammassi di gas hanno iniziato a formare le Galassie; stelle Allinterno delle Galassie (1 Gy), sono cominciate a formarsi le stelle. Le stelle sono agglomerati di materia (H,He) che si formano a causa della forza gravitazionale (attrattiva). Come è nato il Sistema Solare?-2 Gli elementi più pesanti di H ed He (sino al Fe), si sono formati (e si formano) nei processi di fusione nucleare allinterno delle stelle !

76 75 Questa energia (radiazione) è sufficiente a contrastare la pressione dovuta alla gravità e a mantenere in equilibrio le stelle per miliardi di anni. Gravità Radiazione Nelle stelle, lenorme pressione per la gravità avvicina i protoni a distanze tali da far innescare la cattura da parte delle forze nucleari. Si formano cosi, a partire da H ed He, nuclei piu pesanti in un processo chiamato fusionefusione La fusione libera energia. Vedi cosè la fusione nucleare! Come è nato il Sistema Solare?-3

77 76 Richiede: Un gas ad alta densità ed un temperatura interna estremamente elevata. Queste condizioni sono soddisfatte nel core del Sole e delle Stelle. La materia è completamente ionizzata; I nuclei, a causa della pressione dovuta alla gravità, sono molto vicini e collidono con velocità molto elevate. LD sfx11 Ch. 43,44 Nuclear Reactions Fusione Nucleare

78 77 +P N N N NN N H1H1 H2H2 H3H3 He 3 He 4 Deuterio Tritium Nuclei di Idrogeno Protone Nucleo di Idrogeno Nuclei di Elio I protagonisti:

79 78 +P Neutrino +P N Deuteron +e Forze Implicate nella Fusione Elettriche: Cariche Positive si Respingono Forze Nucleari Forti: I protoni. Se estremamente vicini, si attraggono (forze a short range)

80 79 Proton Electron Protons Positron Deuteron Neutrino Helium-3 Helium-4 1 2 3 4 6 5 Catena Protone-Protone Radiazione!

81 80 I processi di fusione funzionano allinterno delle stelle sino a che si e formato il nucleo di Fe. La formazione di nuclei più pesanti del Fe richiede energia (anziché fornirla). Energia di legame nucleare in funzione del numero di massa A

82 81 La morte della Stella (Supernova) I nuclei piu pesanti del Fe (sino allU) si formano durante le catastrofiche morti delle stelle (supernovae, SN) tramite collisioni di altissima energia tra i nuclei.