ESPERIENZE DI FISICA: LE FRONTIERE DELLA FISICA  

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La Fisica Moderna non può prescindere dalla struttura della materia. Ecco allora un bellissimo cristallo di quarzo proveniente dal Madagascar, che fa parte della collezione di casa mia. Esso illustra perfettamente la struttura di un cristallo, cioè di una disposizione regolare di atomi nello spazio. in questo caso si parla di fenocristallo o macrocristallo, vale a dire di un cristallo visibile ad occhio nudo. È come se si trattasse di un'unica, gigantesca molecola!!!
A proposito di cristalli, questa foto scattata nel laboratorio di scienze illustra una serie di modelli di solidi dalle forme più svariate che rappresentano diverse forme cristalline. Oggi non più utilizzati nella didattica (giacciono da tempo nel più completo abbandono), essi potrebbero essere utilmente sfruttati anche per lo studio della geometria solida. Si noterà che una delle forme che ricorre più spesso è il tetraedro, per esempio alla base del cristallo di carbonio noto come diamante.
Un modellino che non può mancare nella galleria della Fisica Atomica. Essa illustra la disposizione spaziale degli atomi in un cristallo, e precisamente in un cristallo di cloruro di sodio (NaCl), il comune sale da cucina. Questo tipo di cristallo viene detto cubico a facce centrate (fcc, Face Centered Cubic, o ccp, Cubic Close Packing). Sia il reticolo delle palline bianche che quello delle palline rosse presentano infatti gli atomi sia sui vertici che al centro di ognuna delle sei facce di cubi affiancati gli uni agli altri, e ripetuti infinite volte nello spazio. Qui le palline rosse rappresentano gli ioni positivi di sodio e quelle bianche gli ioni negativi di cloro, la cui attrazione elettrostatica dà vita ad un cristallo ionico.
Ed ecco invece il modello di un cristallo di diamante, formato da atomi di carbonio disposti ai vertici di tetraedri. Anch'esso è un cristallo cubico a facce centrate, ma si tratta di un cristallo covalente, caratterizzato cioè da questo tipo di legame, che  spiega la particolare durezza del materiale. Altri tipi di cristalli cubici sono il cubico semplice (sc), in cui gli atomi sono solo nei vertici dei cubi, e il cubico a corpo centrato (bcc), in cui gli atomi (o gli ioni) sono disposti sia ai vertici dei cubetti che nel centro di essi. Grazie per la descrizione di questi modellini al fisico dei materiali Simone Salustro.
Un'esperienza davvero facile ed intuitiva per dimostrare l'esistenza delle molecole è realizzabile mescolando una certa quantità di acqua, misurata con grandissima precisione, con un'uguale quantità di alcool. Supponendo di mescolare 500 ml di acqua con 500 ml di alcool, si può verificare che il totale non corrisponde a 1000 ml, ma a poco meno. Questo perchè le molecole di acqua sono "polari" e lasciano dei "buchi" fra l'una e l'altra, buchi che vengono "colmati" dalle molecole di alcool, assolutamente prive di polarità. Questa verifica ha un forte impatto persino sui bimbi delle scuole elementari!
I microscopi a scansione oggi in dotazione ai fisici ci permettono oggi di vedere addirittura gli atomi ordinatamente disposti su di un cristallo, com'è il caso di questi atomi di germanio! Il germanio è un semiconduttore molto pregiato ed utilizzato nella tecnologia elettronica.
I fullereni sono molecole costituite da un numero pari e non inferiore a 28 di carbonio. Scoperti  nel 1985, ma fabbricati in quantità apprezzabile solo dal 1990, loro impiego potrà rivoluzionare la nostra tecnologia, giacché hanno un peso quattro volte inferiore ai materiali ferromagnetici e non oppongono alcuna resistenza all'elettricità dimostrandosi ottimi superconduttori. Se son rose...
Lo spettroscopio a prisma qui raffigurato è uno strumento del quale abbiamo già parlato a proposito dell'Ottica, ma l'ho inserito anche in questo "armadio virtuale" del Laboratorio « Ettore Majorana » perchè esso dimostra che gli atomi, se eccitati per riscaldamento, emettono luce solo lungo particolari lunghezze d'onda, il che dimostra l'esistenza di livelli energetici discreti dentro gli atomi. In altre parole, l'atomo è un sistema quantistico.
Lo strano cilindro scuro in figura rappresenta un accessorio indispensabile per lo spettroscopio della fotografia precedente, trattandosi di una lampada spettrale a sodio. In effetti il cilindro scuro di metallo ha solo una piccola apertura laterale in corrispondenza dell'apposita lampadina che va avvitata all'interno ed alimentata a 180 V; la lampadina contiene vapori di sodio, per cui, una volta accesa, emette luce di una particolare frequenza; facendo passare tale luce nello spettroscopio, si osserva una sola riga netta, tipicamente gialla, dovuta ad un preciso dislivello energetico dentro l'atomo.
Ed ecco non una foto ma un disegno: la tavola periodica degli elementi, disegnata dall'autore di questo sito. Essa è qui riprodotta non nella versione di Mendeleev ma in quella di Niels Bohr. Quest'ultima mette in evidenza l'"aufbau" atomico, cioè come gli elettroni riempiono progressivamente gli atomi: i primi due gruppi di elementi (metalli alcalini ed alcalino-terrosi) hanno l'elettrone più esterno in un orbitale di tipo s, gli ultimi sei gruppi a destra lo hanno in un orbitale di tipo p, i cosiddetti "metalli di transizione" (i dieci gruppi centrali) in uno di tipo d, mentre i lantanidi e gli attinidi in uno di tipo f. Se la mia sintetica spiegazione non vi è chiara, scaricatene da qui una più completa. Cliccate invece qui per accedere al sito dello studente Alessandro P. e della sua classe, nel quale, cliccando su ogni elemento, appaiono le sue principali proprietà!
Il tubo a raggi catodici qui ritratto è un tubo a vuoto spinto, ad un'estremità del quale vi è un elettrodo metallico, detto catodo, mentre all'estremità opposta, in una cavità del vetro, è inserito un anodo. Fra l'anodo ed il catodo si applica una differenza di potenziale positivo elevatissima (da 10.000 a 15.000 Volt); dal catodo si libera allora un flusso di elettroni che attraversano un collimatore. In tal modo un sottile fascio di elettroni, detto raggio catodico, raggiunge lo schermo ricoperto di una sostanza bianca fluorescente, che emette luce quando è colpita da elettroni veloci. I campi elettrici e magnetici deviano il raggio catodico, dimostrando che esso è formato da particelle cariche negativamente; su questo principio si basa il televisore.
Un'altra applicazione del tubo a raggi catodici è questo tubo a raggio filiforme, cosiddetto perchè la pressione dentro di esso è scelta in modo che la carica spaziale, prodotta dal raggio catodico, formi un fascio luminoso. Il fascio di elettroni viene emesso in direzione verticale e viene deviato mediante un campo magnetico omogeneo perpendicolare alla direzione del fascio. Un tale campo si ottiene utilizzando due bobine di Helmholtz, cioè due sottili bobine anulari disposte parallelamente tra di loro ad una distanza uguale al loro raggio, ed alimentate dalla stessa corrente nella stessa direzione. Lo si può utilizzare nel nostro Laboratorio per esempio per determinare la carica specifica dell'elettrone.
Un altro interessante tubo catodico, che stavolta porta al suo interno una croce di Malta. Perchè? Perchè sullo schermo fluorescente opposto al catodo si vedrà comparire proprio l'"ombra" della croce di Malta suddetta. Questa semplice ma efficace esperienza dimostra in modo semplice la propagazione rettilinea dei raggi catodici.
Nuova fotografia e nuovo tubo catodico, che stavolta, come si vede, contiene al suo interno un mulinello. Quale il suo scopo? Quando si fanno passare gli elettroni dal catodo all'anticatodo, il mulinello metallico si pone in rapidissima rotazione, dimostrando così che i raggi catodici trasportano quantità di moto, e quindi massa. In altre parole non sono pura radiazione elettromagnetica, ma sono composti da particelle di materia!
Il tubo con minerali qui fotografato NON è un pezzo di scarto da gettare nella pattumiera, come alcuni hanno creduto, bensì un componente fondamentale della fisica moderna, per dimostrare che i raggi catodici trasportano energia, e non solo massa come il tubo catodico precedente. Infatti, facendo passare i raggi catodici, i minerali in esso contenuti diventano ben presto fluorescenti, a causa del bombardamento delle minuscole particelle contenenti i raggi.
Questo è chiamato tubo con schermo e feritoia e serve per mostrare in modo evidente il movimento dei raggi catodici. Il fascio di questi ultimi entra nella parte centrale del tubo attraverso una feritoia, ed è reso visibile dallo schermo obliquo fluorescente che esso rasenta.
Se gli strumenti precedenti permettevano di dimostrare l'esistenza dei raggi catodici, e quindi degli elettroni, quest'altro, detto tubo Goldstein, permette invece di mettere in evidenza la produzione di raggi canale, cioè di raggi anodici, che oggi sappiamo essere costituiti da ioni positivi in moto in direzione opposta ai raggi catodici. I buchi nella placca, ben visibili nella foto, servono appunto ad aprire un "canale" per il passaggio di questi raggi.
Quest'ulteriore tubo catodico permette di effettuare l'esperienza della diffrazione di elettroni. All'altezza dell'anodo vi è infatti un cristallo attraversato dagli elettroni accelerati dall'intenso campo elettrico; sullo schermo fluorescente in figura si possono osservare chiaramente le frange dovute alla diffrazione delle « onde di materia » associate agli elettroni in moto!
Quello che qui vedete fotografato è il dispositivo per la misura del rapporto carica/massa dell'elettrone. A questo scopo si utilizza un'ampolla ad alto vuoto alla quale, come si vede, sono collegati tre alimentatori. Uno mette in funzione il tubo catodico, uno alimenta le bobine di Helmholtz e uno è collegato al condensatore. Questi ultimi due servono a generare un campo elettrico ed uno magnetico perpendicolari tra loro, tra i quali passano gli elettroni.
Naturalmente gli elettroni non sono visibili ad occhio nudo, e così li si fa fluire lungo uno schermo fosforescente inclinato di 15° rispetto alla direzione del raggio. Lo schermo è suddiviso in un reticolato il cui passo è di 1 cm. Dando tensione alle piastre del condensatore (poste sopra e sotto lo schermo), il fascio viene deflesso su una traiettoria parabolica. Facendo invece circolare corrente nelle bobine di Helmholtz (in primo piano, di colore grigio) si ottiene un campo magnetico orizzontale che deflette gli elettroni lungo una traiettoria circolare. Facendo in modo che i due campi si compensino, è possibile determinare la velocità degli elettroni, e da questa si risale al rapporto tra la sua carica e la sua massa.
Ed ecco un tubo a raggi X, ideato dal tedesco Wilhelm Röntgen e basato sul cosiddetto effetto Brehmsstrahlung (in tedesco, frenamento). Gli elettroni, come nei tubi precedenti, sono emessi dal catodo surriscaldato (a destra) e vanno a sbattere sull'anticatodo (al centro); la brusca decelerazione fa sì che la carica irraggi radiazioni ad altissima frequenza sulla base della notissima formula di Planck E = h f (energia = frequenza x costante di Planck).
Quella che vedete è un esempio di radiografia del torace umano e di parte della testa. Röntgen si rese conto immediatamente che i tessuti molli venivano attraversati dai raggi X come se fossero trasparenti, mentre le ossa erano abbastanza dense da fermarli; nacquero così innumerevoli centri specializzati in radiografie, e addirittura, allo scoppio della Prima Guerra Mondiale, dei camion vennero attrezzati come veri e propri laboratori radiologici ambulanti. Prima della scoperta dei raggi X, ogni operazione chirurgica doveva essere effettuata... alla cieca. Purtroppo molti medici, presi dall'entusiasmo, esagerarono nello scattare radiografie ai loro pazienti, e ricevettero danni irreversibili a causa dell'overdose da radiazioni.
La figura illustra un vecchio modello di Laser, uno strumento già visto in ottica, che merita però una spiegazione anche in questa sezione. L'acronimo significa "Light Amplification by stimulated Emission of Radiation", amplificazione della luce per mezzo dell'emissione stimolata di radiazioni); esso permette di ottenere fasci di luce monocromatica e coerente, emessa cioè in concordanza di fase, a differenza di quelle delle sorgenti ordinarie.
Anche se non ci crederete, una chiesa si comporta come un corpo nero! Infatti in una giornata di sole il portale spalancato di una chiesetta di Castano Primo, non lontano da dove abita l'autore di questo sito, ci mostra il suo interno completamente nero. La spiegazione è molto semplice: tutti i raggi di luce che penetrano nella chiesa attraverso il portale sono assorbiti dalle pareti interne, prima che riescano a ritrovare la strada per fuoriuscire all'esterno! E lo stesso può dirsi per le finestre di una casa, o per l'interno di un container, osservati in una giornata soleggiata.
L'apparecchio qui illustrato permette di eseguire la misura sperimentale della costante di Planck mediante la misurazione della tensione di accensione di LED di vario colore (i LED sono diodi ad emissione di luce). Sul supporto bianco sono montati sei LED di colore azzurro, verde, giallo, rosso scuro, rosso vivo ed infrarosso, ognuno caratterizzato da un ben preciso valore di lunghezza d'onda della luce emessa. Gli anodi dei LED sono collegati ad altrettanti jack, mentre i catodi fuoriescono attraverso un jack comune di colore blu, con una resistenza di compensazione di 100 Ohm per motivi di sicurezza; essa serve come protezione, e dovrebbe sempre essere attivata a monte durante il funzionamento dei fotodiodi.
Ed ecco il montaggio dell'apparato sperimentale. Si fissa il circuito a LED su un opportuno supporto, quindi si collegano il catodo e l'anodo di un singolo LED con un opportuno alimentatore in corrente continua stabilizzato. Noi abbiamo utilizzato il Variac che alimenta i banconi del nostro laboratorio, collegandolo all'anodo e al catodo (jack rispettivamente marrone e blu) di ogni singolo singolo LED, in parallelo al quale vengono anche inseriti gli elettrodi di un voltmetro, onde misurare il potenziale di accensione di ogni fotodiodo.
Per ottenere la misura desiderata si varia con continuità la tensione erogata dal Variac, e si misura in corrispondenza a quale d.d.p. ogni fotodiodo si accende. In figura per esempio, quando la d.d.p. erogata dall'alimentatore raggiunge circa i 2,2 V, si vede accendersi il secondo LED dall'alto, di colore verde, la cui luce ha una lunghezza d'onda di 560 nanometri, e quindi una frequenza di circa 5,36 x 1014 Hz. Moltiplicando 2,2 V per la carica dell'elettrone si trova l'energia del singolo fotone emesso dal LED, e dividendola per la frequenza si ottiene un valore approssimato della costante h!
Quest'immagine ci mostra un ampio campionario di materiale utile per lo studio della Fisica Atomica. Sul ripiano superiore si vedono alcune sorgenti radioattive chiuse negli opportuni contenitori, e dei contatori Geiger, mentre sul ripiano sottostante sono posti alcuni modelli di camere a nebbia per lo studio del moto delle particelle cariche emesse da sorgenti radioattive. Ovviamente questo materiale non è più utilizzabile in laboratorio, ma si trova solo in esposizione.

Qui a sinistra vedete una fotografia scattata dal mio alunno Luca Chiurazzi, che nell'estate 2014 si è recato negli Stati Uniti per motivi di studio. L'immagine ritrae la Nassau Hall della celebre Università di Princeton, che sorge nell'omonima città del New Jersey. Perchè compare in questa galleria? Perchè in essa, in mezzo a molti altri geni, insegnò anche Albert Einstein (1879-1955), dopo che ebbe lasciato la natia Germania a causa delle persecuzioni antisemite scatenate da Adolf Hitler.

Quest'altra foto, sempre scattata da Luca Chiurazzi, mostra una targa commemorativa posta nell'Università di Princeton il 22 ottobre 1996 in occasione del 250° anniversario della fondazione dell'ateneo, avvenuta nel 1746. Questo ne fa la quarta più antica istituzione universitaria degli Stati Uniti. Qui hanno insegnato, oltre ad Einstein, anche gli economisti Ben Bernanke e John P. Lewis, nonché il famoso matematico John F. Nash, immortalato nel film "A Beautiful Mind".

Questa foto, scattata dalla cortese allieva Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/05), illustra un'esperienza a corredo della mostra « Einstein 1905, il genio all'opera », organizzata in occasione dei cento anni dall'articolo di Albert Einstein che diede il via alla Relatività Ristretta. Essa riguarda l'effetto fotoelettrico: la luce di una lampadina viene scomposta nello spettro, che poi è percorso da un fotodiodo scorrevole lungo una vite senza fine. Questo misura il potenziale di arresto dei fotoni in funzione della frequenza e lo tabula direttamente su Pc. Come si vede, si ottiene praticamente una linea retta, il che dimostra la nota formula di Planck E = h f (E = energia, h = costante di Planck, f = frequenza), verificata da Einstein proprio nel 1905.
Un'esperienza davvero eccitate per gli studenti di tutte le età: una cellula fotoelettrica non dissimile da quelle che azionano l'apertura e la chiusura dei cancelli elettronici. Appena il raggio Laser è interrotto facendo uso di una mano, si attiva un fischio sonoro simile ad un allarme. Tutto merito dell'effetto fotoelettrico del quale si è parlato a proposito della foto precedente.
Questa foto, scattata dall'allieva Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/2005), illustra un altro semplicissimo dispositivo che applica l'effetto fotoelettrico: accendendo il faretto, la lamina di silicio a sinistra emette elettroni, i quali danno vita ad una corrente abbastanza intensa da far muovere la lancetta del voltmetro e da alimentare il motorino che fa girare l'elica. E se volete una dimostrazione ancora più in grande, passate alla foto sottostante!
Un esemplare "storico" di cellula fotoelettrica, da usarsi per esperienze scolastiche e non certo per produrre potenza così da far girare una ventolina. La cellula fotoelettrica è contenuta nella struttura cilindriforme sulla sinistra, ed il disegno mostra il circuito necessario per acquisire i dati da essa forniti. Questo modello risale agli anni sessanta ma non è concettualmente diverso da quello visto poco sopra; nell'armadio dell'elettromagnetismo abbiamo incontrato l'alimentatore a cui essa era collegata.
Questo minuscolo pannello fotovoltaico da laboratorio è in grado di erogare 0,2 A se esposto in pieno sole ed alcuni milliAmpére se esposto a luce solare indiretta, come si vede chiaramente grazie all'amperometro ad esso collegato. Una simile sorgente di energia mette in funzione molte delle nostre calcolatrici, alcuni lampioni notturni (l'energia viene catturata di giorno e riutilizzata di notte) e una schiera di giocattoli per bimbi, che li abituano fin da piccoli all'importanza delle energie alternative.
Lo stesso pannello della fotografia precedente, per quanto piccolo, è sufficiente per mettere in moto il motore elettrico di un modellino a quattro vuote, che è lo stesso usato per dimostrare il funzionamento della cella a combustibile: essendo in funzione in questo caso entrambi i sistemi di propulsione, si parla di motore ibrido. Potete scaricare questo breve filmato digitale (il veicolo si muove su un piano scabro ed inclinato, per cui rallenta quanto sale ed accelera quando scende), che dimostra l'incredibile efficacia delle automobili a motore ibrido!
Marta Milano ha scattato questa foto all'esterno del Museo Nazionale della Scienza e della Tecnica di Milano: in essa si vedono dei pannelli fotovoltaici in grado di fornire energia ad un'intera ala del museo. In pratica, la luce colpisce le celle di silicio ed eccita gli elettroni che entrano nel circuito e producono una corrente elettrica. Alle spalle dei pannelli è possibile vedere la base di una torre costruita dall'AGIP per l'estrazione di petrolio.
Questo display si trova su una parete esterna del Liceo Sportivo Marco Pantani di Busto Arsizio, il cui tetto è completamente ricoperto di pannelli fotovoltaici come quelli che si vedono nella foto precedente, e mostra a tutti non solo la potenza prodotta in ogni momento (bassa perchè la foto è stata scattata di primo mattino) e quella totale erogata, ma anche il numero di emissioni di anidride carbonica evitate. Un motivo in più per installare questi pannelli anche sulle nostre abitazioni!
Il radiometro di Crookes è uno strumento di uso facilissimo e di enorme impatto sugli studenti. Si tratta di un'ampolla di vetro nella quale è praticato il vuoto spinto ed in cui è sospeso un leggerissimo mulinello fatto di quattro piccole alette di plastica, bianche da un lato e nere dall'altro. Se posto al sole, il radiometro si mette in rotazione. Di solito si ritiene che il radiometro dimostri l'esistenza di una "pressione di radiazione" (espressa dal cosiddetto vettore di Poynting) che metterebbe il mulinello in rotazione. In realtà la causa del fenomeno è da ricondurre agli spostamenti dei gas rarefatti al suo interno dovuti al calore differente tra la faccia chiara e la faccia scura. Infatti, dopo un certo tempo le pale si arrestano perchè viene raggiunto l'equilibrio termico, come spiegato in questa pagina. Cliccate qui per scaricare un breve filmato digitale di quest'esperienza.
Qui vediamo un tavolo realizzato da due studenti della mia scuola: al posto del ripiano in legno c'è un telo elastico. Ponendo in esso una sfera usata nel getto del peso, il telo si deforma, dando una chiara idea di come la massa deforma lo spazio, uno dei risultati principali della Relatività Generale di Albert Einstein! Se lanciamo una pallina da golf sul tavolo non deformato, essa si muoverà di moto rettilineo uniforme (cioè di moto inerziale)...
...ma se poniamo al centro una massa, come si vede qui a fianco, la traiettoria della pallina è incurvata, perchè la geometria dello spazio-tempo deformato non è più euclidea! Il cammino più breve fra due punti non è più un segmento di retta, ma una linea curva. In questo modo, le forze di gravitazione vengono geometrizzate! Cliccando qui potrete vedere un breve video nel quale la traiettoria inerziale della pallina è curvata nella nuova geometria del tappeto elastico!
Quello che qui vedete illustrato è un modellino in cartone realizzato dall'Autore di questo sito in occasione di una mostra organizzata nel suo Liceo in occasione dei 100 anni dalla prima formulazione della Relatività Generale. Come si vede, dal fondo di una scatoletta di cartone è stato asportato un cerchio, sostituito con un settore di carta opportunamente piegato ed incollato, in modo da simulare la curvatura dello spazio indotta dalla messa della stella, che è stata incollata al centro di esso...
...L'occhio simula la presenza dell'osservatore, e il nastro dorato per la decorazione di pacchi simula il raggio di luce che raggiunge tale occhio. Come si può vedere qui a sinistra, se non vi è alcuna massa lo spazio non è incurvato, la luce procede in linea retta e l'osservatore vede la stella nella esatta posizione in cui essa è, cioè leggermente spostata rispetto alla congiungente sole-occhio. Ma se lo spazio è incurvato dal campo gravitazionale dell'astro...
...allora il raggio di luce appare completamente deviato, e l'osservatore crede che esso venga da una posizione molto più vicina a quella in cui giace la congiungente sole-occhio. In altre parole, l'osservatore ha la sensazione che il raggio di luce sia stato "attirato" dalla gravità solare, esattamente come ogni massa che ci circonda, e che per questo sia stato "deviato" dal suo cammino, mentre invece la deflessione può essere interpretata per via puramente geometrica!!
L'esperienza precedente spiega a perfezione perchè, in presenza di grandi masse, la traiettoria della luce risulta incurvata. Guardate qui a sinistra. Quante galassie gialle vedete in questa foto? In realtà, si tratta di immagini multiple di una stessa galassia. E' uno dei fenomeni più straordinari mai apparsi agli occhi degli astronomi, previsto da Einstein e noto con il nome di lente gravitazionale.  Lo stesso fenomeno è responsabile della formazione di un'altra meraviglia cosmica, detta...
...croce di Einstein. In pratica, una galassia più vicina posta sulla stessa linea di vista di quella più lontana ne moltiplica l'immagine, come fa una lente che deflette i raggi di luce, proprio perchè, secondo la relatività generale, anche la radiazione viene deflessa dalla gravità!
Qui a sinistra vedete un cartellone realizzato per la mostra suddetta, dedicata ai 100 anni della Relatività Generale e realizzata dai miei studenti di 3 A, 3 D, 3 G e 4 D a.s. 2015/16. In esso vedete trascritta l'equazione gravitazionale di Albert Einstein, che mette in relazione la gravità alla curvatura dello spazio-tempo, espressa tramite complicate entità matematiche chiamati tensori. Il cartellone è stato realizzato da Giulia Coppola della 4 D a.s. 2015/16.
Questa immagine ci mostra un busto del danese Niels Bohr (1885-1962) da me fotografato nel CERN di Ginevra. Considerato uno dei massimi cervelli di tutti i tempi, è uno dei padri fondatori della Meccanica Quantistica: fu lui ad elaborare una teoria quantistica dell'atomo di idrogeno, secondo cui gli elettroni non possono seguire orbite qualunque intorno al nucleo, ma le loro energie, e quindi i loro raggi e i loro momenti angolari, sono quantizzati attraverso il numero quantico principale n. Tale modello permise a Bohr di spiegare la formazione degli spettri di emissione degli atomi. In seguito Niels Bohr si dedicò anche alla Filosofia della Scienza ed elaborò la cosiddetta "interpretazione di Copenaghen" della Meccanica Quantistica.
La foto illustra il dispositivo per ripetere l'esperienza di Franck ed Hertz. Esso consiste in un vero e proprio triodo, con il particolare in più che all'interno del bulbo di vetro vi é una goccia di mercurio. Il tubo, poi, é alloggiato in un forno che ha lo scopo di scaldare l'ambiente di modo che il mercurio evapori e si crei, internamente allo stesso tubo, una opportuna pressione del vapore di mercurio, da 8 a circa 10 mm Hg quando la temperatura del forno è di circa 170 °C. Tale valore di pressione é necessario se si vuole che le molecole di mercurio si eccitino dallo stato fondamentale (6s) al livello superiore (6p) con una probabilità molto elevata rispetto ad altri livelli energetici. Il tubo permette di dimostrare l'esistenza di livelli energetici discreti dentro gli atomi. Davvero una rarità.
Non poteva mancare, in questa galleria, un busto in bronzo di Marie Curie (1867-1934), nata in Polonia con il nome di Maria Skłodowska. Trasferitasi a Parigi per motivi di studio, sposò il suo docente Pierre Curie (1859-1906) e, con lui, studiò la radioattività scoperta nel 1896 da Henri Becquerel (1852-1908), con il quale condivise il Premio Nobel per la Fisica nel 1903. Scomparso prematuramente il marito, proseguì gli studi da sola e nel 1911 vinse un secondo Nobel per aver isolato il radio. Morì di leucemia a causa delle radiazioni cui, presa dall'entusiasmo, si era esposta senza troppe precauzioni. Questo suo bronzo si trova all'ingresso del CERN di Ginevra, ed è stato fotografato dall'autore di questo sito.
Un altro pezzo da museo: una scatola in piombo che contiene alcuni preparati radioattivi per esperienze con il contatore Geiger. Come si legge sull'etichetta, si tratta di Radio e Torio; niente paura, perchè l'attività è dell'ordine del milionesimo di Curie (un Curie equivale a 3,7 * 1010 Becquerel, cioè disintegrazioni al secondo). Il piombo della scatola è tranquillamente in grado di fermare tutte le radiazioni prodotte dai campioni.
Un'altra cassetta di protezione con spesse pareti di piombo, in grado di fermare la radioattività dei campioni in essa posti. Una cassetta come questa è utilizzata per manipolare le sostanze radioattive, soprattutto quelle volatili, sbirciando attraverso l'apposito vetro posto sulla parete anteriore.
Questo pesantissimo cilindro in piombo viene naturalmente usato per misure di attività delle sorgenti radioattive di cui si è parlato poco sopra. Esse vengono introdotte, con opportune precauzioni, dall'apertura superiore, mentre nel foro laterale si inserisce il contatore Geiger (vedi più sotto), il quale permette di misurare l'attività del campione, cioè il suo tasso di disintegrazione. Da questo è poi possibile risalire al tempo di dimezzamento dello stesso.
Detta anche « camera di Wilson », dal nome del fisico che la ideò nel 1911, la camera a nebbia qui fotografata dall'autore di questo sito consiste in un cilindro metallico con il coperchio in vetro, che va collegato alla pompa a vuoto. Il cilindro viene riempito con un gas che, mediante un'espansione adiabatica, diventa sovrassaturo. Le particelle emesse da un preparato radioattivo posto nelle vicinanze, quando passano attraverso il gas sovrassaturo, ne provocano l'immediata condensazione, rendendo visibile il loro percorso. È con questo semplice ma efficientissimo strumento, tuttora funzionante, che vennero compiuto le più importanti esperienze di fisica nucleare, negli anni venti e trenta del secolo scorso!!
Qui vedete la camera a nebbia in funzione. È stato necessario riempire la vaschetta inferiore con ghiaccio secco, in modo che la sublimazione di quest'ultimo formasse una nebbia. Dell’alcool evapora da un serbatoio e si diffonde nella camera; raffreddandone la base con ghiaccio secco si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo la verticale, e ciò provoca sul fondo una zona di vapore d’alcool sovrassaturo. Al passaggio della particella carica con energia sufficiente a ionizzare atomi lungo il suo cammino scatta il processo di condensazione sopra descritto. Si noti che il bordo inferiore della camera di Wilson è ricoperto di ghiaccio perchè il ghiaccio secco provoca il brinamento immediato dell'umidità atmosferica!
La camera di Schüroltz è una variante della camera di Wilson e, come quella, serve a rendere visibile le particelle emesse da reazioni nucleari: fu anzi il primo strumento per « vederle », visualizzando le loro tracce. Anch'essa è riempita di vapore allo stato sovrassaturo, nel quale il passaggio di una particella provoca una condensazione di ioni sulla sua scia: in questo modo è possibile osservarne a occhio nudo la traccia e anche fotografarla. Il suo uso è facile persino per uno studente.
La camera a fumo qui fotografata serve invece per lo studio dei moti browniani. Essa è costituita da una piccola cella cilindrica dotata di foro di immissione, nel quale viene insufflato il fumo di una sigaretta, coperchio in vetro e lente laterale. L'osservazione delle particelle solide in movimento caotico viene effettuata tramite un microscopio ottico a 150 ingrandimenti, mentre la cameretta va illuminata con un proiettore diottrico, disposto in modo che il fascio di luce convergente risulti perpendicolare alla direzione di osservazione.
Ed ecco il famigerato contatore Geiger-Muller. Esso rivela la presenza di particelle elettricamente cariche ed è costituito da un tubo metallico chiuso ai due estremi e contenente gas a bassa pressione. Un filo metallico detto collettore, teso lungo l'asse del contenitore (che funge da catodo) e da esso isolato, viene mantenuto a un potenziale positivo di poco inferiore al potenziale di scarica rispetto al tubo. Il filo e il contenitore sono connessi ad un circuito amplificatore, che comanda un contatore di impulsi elettrici...
...Quando una particella carica penetra nel tubo, ionizza il gas, provocando tra filo e involucro una breve scarica elettrica, che viene segnalata dal contatore, e spesso anche da un altoparlante che emette un inconfondibile brusio. Qui vedete il contatore Geiger-Muller in azione: il rilevatore è posto sopra un campione minerale, ed esso segnala sul display digitale 0,50 cps, cioè 0,50 conteggi al secondo, nel S.I. chiamati Becquerel (un Becquerel rappresenta una disintegrazione al secondo).
Se tra la sorgente radioattiva e il rilevatore è interposto uno schermo di piombo, ci rendiamo conto che l'attività misurata dal contatore di Geiger-Muller (l'attività misura appunto il numero di disintegrazioni al secondo) diminuisce nettamente, per via dell'alta densità di questo metallo, in grado di ridurre le radiazioni che riescono ad attraversarlo!
Qui vedete un contatore Geiger esposto nel Museo del CERN di Ginevra: il rivelatore può essere spostato sopra un vecchio orologio anni '50, sopra campioni di terra e sopra dei sali d'uranio. A sorpresa, la radioattività più alta è fatta segnare proprio dall'orologio, perchè per rendere fosforescente il quadrante, esso veniva dipinto con sali di radio, tra l'altro con gravi danni alla salute degli operai.
Questo cartello è stato fotografato dall'autore di questo sito al CERN di Ginevra, e mostra il simbolo universale del pericolo radioattivo. Si noti che su di esso è indicata anche la fonte di tale radioattività: l'isotopo 90 dello stronzio, uno dei nuclidi più pericolosi perchè presente tra i prodotti di fissione dell'uranio. Si legge anche l'unità di misura della radioattività nel S.I.: il Becquerel (Bq), pari a una disintegrazione al secondo, così chiamato in onore di Henri Becquerel (1852-1908).
Questa foto scattata da Riccardo Miolo illustra alcuni accessori per il contatore Geiger, tra cui il supporto (a destra) per reggerlo durante le esperienze, il cavo cui va connesso (in basso) ed un barattolo contenente il contatore ed altri accessori per il suo utilizzo. Più che altro una curiosità storica. Questo materiale è stato esposto nel mio Liceo durante una Mostra dedicata proprio ad argomenti di Fisica Atomica e Nucleare; per vederne alcune immagini, cliccate qui.
Quello in figura invece è un sensore di raggi gamma a semiconduttori. È costituito da un semiconduttore che, interagendo con i raggi gamma, genera direttamente impulsi elettrici di ampiezza proporzionale alla particella da cui viene colpito. Il materiale più utilizzato è il tellururo di cadmio drogato con Zinco (CdZnTe). Nelle giornate nuvolose la lettura del sensore è assai inferiore a quella delle giornate serene, perchè i raggi gamma vengono prevalentemente dallo spazio, e le nuvole sono in grado di intercettarne una buona parte.
Dopo aver parlato di radioattività e della sua pericolosità, mi sembra giusto presentare in questa carrellata l'opera del mio brillante studente Enrico Magnini (2 D a.s. 2014/15), realizzata per una mostra sulle innovazioni tecnologiche della Prima Guerra Mondiale, tra cui proprio i raggi X. Il titolo "Il prezzo della scoperta" allude all'uso cattivo che in quel conflitto è stato fatto della scienza, per la realizzazione di armi fratricide anziché di innovazioni a favore della vita.
L'eccezionale fotografia di Robert D.Loss mostra un incredibile reattore nucleare naturale che si innescò due miliardi di anni fa nella miniera d'uranio di Oklo, nel Gabon. Allora il tasso di decadimento dell'uranio era minore dell'attuale, e così l'acqua di una palude poté moderare i neutroni ed innescare una reazione nucleare controllata. L'ossido di uranio rimasto ha lasciato evidenti tracce giallastre sulle rocce.
Ed ecco lo schema di un reattore a fusione. Come sapete, nessuno è mai riuscito finora a realizzarne uno nella pratica, ma si spera che producano l'energia pulita di domani, assorbendo innocuo idrogeno e litio per restituire elio e nessuna scoria radioattiva. La reazione di fusione è 2H + 3H --> 4He + n + energia; i neutroni sono pericolosissimi ma possono essere assorbiti da una camicia di litio mediante la reazione 6Li + n --> 3H + 4He, restituendo parte del combustibile del reattore!
Lo schema precedente può essere realizzato per mezzo di un tokamak (dall'acronimo russo "macchina a camera toroidale"), una struttura in cui un plasma ad alta temperatura è mantenuto sospeso mediante un confinamento magnetico. Siccome questo è difficoltoso ed instabile, la ricerca si appunta proprio su come stabilizzare un plasma a 100 milioni di Kelvin!
Quella che si vede qui ritratta è l'acquisizione di una Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), un esame diagnostico che permette un'analisi approfondita dell'interno del corpo umana. Viene iniettato un isotopo tracciante come il Carbonio-11, che si lega chimicamente alle molecole del corpo umano; l'isotopo decade, emettendo un positrone, cioè un antielettrone, e dopo un percorso al massimo di qualche  millimetro, il positrone si annichila con un elettrone, producendo una coppia di fotoni gamma emessi in direzioni opposte fra loro. Questi fotoni sono rilevati in uno scintillatore, dove creano un lampo luminoso, rilevato attraverso dei tubi fotomoltiplicatori. I fotoni che non raggiungono il rilevatore in coppia non sono presi in considerazione. Dalla misurazione della posizione in cui i fotoni colpiscono il rilevatore, si può ricostruire la struttura interna del corpo del paziente..
Si chiama Modello Standard la più completa teoria comunemente accettata per spiegare la maggior parte dei fenomeni che avvengono in natura. In questo poster di grande formato realizzato dall'autore di questo sito si vede l'insieme di tutte le particelle previste dal Modello. Come si vede, esso comprende tre famiglie di particelle (due quark, un leptone e un neutrino ciascuna) e vari "vettori di campo", in grado di mediare le forze della natura. Purtroppo il Modello Standard ha ancora dei "buchi", che lasciano aperta la strada a nuovi studi. Chi vuol saperne di più, scarichi una presentazione dedicata al Modello cliccando qui.
Questa sfera gigantesca, nascosta nel sottosuolo a duemila metri di profondità, è un rivelatore di neutrini: si tratta di particelle estremamente abbondanti nell'universo, ma altrettanto difficili da realizzare perchè interagiscono pochissimo con la materia: possono attraversare il pianeta Terra senza subire alcuna interazione. Questa sfera di 12 metri di diametro piena di acqua pesante (il SNO o Sudbury Neutrino Observatory presso la Queen's University) è circondata di rilevatori di luce proprio nella speranza di catturare le rarissime interazioni prodotte nell'acqua dai neutrini provenienti dal Sole.
Quello che qui vedete ripreso dal mio studente Marco Crespi (5 A a.s. 2014/15) è "Globo della scienza e dell'innovazione", il grande edificio del CERN di Ginevra (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, questo il suo sito ufficiale), presso il comune di Meyrin, dove io e la mia 5 A ci siamo recati in visita di istruzione il 14 ottobre 2014. Ideato dai ginevrini T. Büchi e H. Dessimoz. questo globo è alto 27 metri, ha 40 metri di diametro, è tra le maggiori costruzioni in legno del mondo ed ospita una mostra permanente.
Ed ecco il sottoscritto, fotografato dal tecnico di laboratorio Elio Tagliaferro, davanti all'ingresso del Globo della scienza e dell'innovazione, sul quale è ben visibile il logo del CERN. Già "Palais de l’Equilibre", costruito sulle rive del lago di Neuchâtel per l'Expo 2002, nel 2004 la Confederazione elvetica ne ha fatto dono al CERN. La sfera, sostenuta da 18 archi in legno cilindrici, rappresenta una metafora del globo terrestre ed ospita una mostra scientifica permanente.
Queste invece sono cinque studentesse della 5 I a.s. 2014/15, riprese davanti all'ingresso principale del CERN. Fondato il 29 settembre 1954, di esso oggi fanno parte 21 paesi: Austria, Belgio, Bulgaria, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Israele, Italia, Norvegia, Paesi Bassi, Polonia, Portogallo, Regno Unito,  Repubblica Ceca, Slovacchia, Spagna, Svezia, Svizzera e Ungheria; Romania e Serbia sono in attesa di poter aderire.
Questa foto del mio studente Marco Crespi ritrae il primo modulo dell'acceleratore lineare Linac I, il sistema di iniezione del sincrotrone a protoni del CERN, il PS. Essi ha funzionato per ben 34 anni, dal 1958 al 1992! I protoni entravano da un'estremità del modulo e venivano accelerati da un campo elettromagnetico oscillante. Il campo cambiava verso 200 milioni di volte al secondo, e dunque i protoni impiegavano 5 nanosecondi per attraversare il tubo. Avanzando lungo il modulo, i tubi dovevano allungarsi perchè la velocità aumentava. I protoni venivano accelerati da 500 KeV a 10 MeV!
Quello che qui vedete è un fotomontaggio di fotografie riprese sempre da Marco Crespi, che illustrano la struttura del LEP (Large Electron-Positron Collider), uno dei più grandi acceleratori di particelle mai costruito, che ha operato al CERN di Ginevra dal 1989 al 2000, quando è stato rimosso per fare posto al nuovo e più potente LHC. Aveva un anello di 27 chilometri di circonferenza, costruito in un tunnel sotterraneo al confine tra Svizzera e Francia, e in esso si scontravano elettroni e positroni, da cui il nome. Questa vera e propria "reliquia" scientifica è rimasta in mostra per illustrare l'estrema complessità di questi superacceleratori!
Ed ecco un altro componente del LEP, il grande acceleratore di elettroni e positroni che operò al CERN per undici anni, ora in mostra nei giardini del grande centro di ricerche nucleari. Si tratta di una cavità a radiofrequenza, cioè le unità acceleratrici delle particelle elementari. Il LEP ne possedeva ben 344 per spingere i fasci fino a un'energia di 104,5 GeV! Nell'ultimo anno, inoltre, le cavità a superconduttori furono volutamente spinte fino al 123 % della loro potenza nominale, per raggiungere le massime prestazioni possibili: Anche questa foto è di Marco Crespi.
Stavolta la foto è dell'autore di questo sito. Si tratta della Big European Bubble Chamber (BEBC), una camera a bolle utilizzata negli esperimenti di fisica delle particelle al CERN. Si tratta di un recipiente in acciaio inossidabile di 3,7 m di diametro e 4 m in altezza, che veniva riempito con 35 metri cubi di idrogeno liquido. Progettata nel 1966, la BEBC entrò in funzione nel 1973 ed operò fino al 1984 , permettendo di scattare 6,3 milioni di lastre fotografiche nel corso di 22 esperimenti dedicati allo studio dei neutrini e alla fisica degli adroni. Oggi si trova esposta nei giardini del CERN, dove io l'ho fotografata.
La pressione del liquido nella BEBC veniva regolata da un pistone pesante ben due tonnellate, che qui vedete esposto accanto alla BEBC. Dopo l'espansione, le particelle cariche lasciavano tracce di bolle nella loro traiettoria, perché il liquido raggiungeva il punto di ebollizione. La BEBC era circondata da un magnete superconduttore che produceva un campo magnetico di ben 3,5 Tesla!
Altra foto del sottoscritto, che rappresenta la camera a bolle Gargamelle, progettata per rivelare i neutrini e i muoni. Il suo nome non c'entra niente con i Puffi, e deriva invece da quello della madre di Gargantua nei romanzi di François Rabelais. Ha un diametro di 2 metri e una lunghezza di 5, ed era riempita con 12 metri cubi di freon. Operò dal 1970 al 1978, bombardando nuclei di freon con un fascio di neutrini muonici prodotto dal Proton Synchrotron del CERN. Questo esperimento portò a una delle scoperte più importanti realizzate al CERN: la prima osservazione sperimentale delle correnti deboli neutre, previste da Abdus Salam, Sheldon Glashow e Steven Weinberg. Oggi è esposta nei giardini del CERN.
Questo invece è il LIBO, un acceleratore lineare utilizzato nella cura dei tumori. In esso vengono accelerati protoni prodotti a bassa energia da ciclotroni già esistenti negli ospedali. Alla fine dell'accelerazione, in protoni hanno un'energia pari a circa tre volte quella iniziale: in questo modo si possono curare anche i tumori situati in profondità. Il progetto LIBO fu lanciato nel 1998, e nacque da una collaborazione tra il CERN, la fondazione TERA e le Università di Milano e di Napoli.
Il 10 settembre 2008 è stato inaugurato al CERN di Ginevra il LHC (Large Hadron Collider), uno dei più grandi acceleratori di particelle mai costruiti; le dimensioni sono imponenti, come mostra il confronto con l'operaio nella foto. Il suo scopo è quello di far collidere tra loro protoni a velocità prossime a quelle della luce, ed esso ha permesso di individuare il bosone di Higgs, sfuggente particella prevista dal Modello Standard per giustificare i valori delle masse di tutte le particelle!
Ed ecco un modellino che rappresenta la sezione trasversale dell'LHC. In esso si vedono i magneti superconduttori (sono più di 1600!) in lega di niobio e titanio raffreddati alla temperatura di 1,9 Kelvin da elio liquido superfluido, che realizzano un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario per mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. La macchina accelera due fasci di particelle che circolano in direzioni opposte, ciascuno contenuto in un tubo a vuoto. Questi collidono in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio ai grandi esperimenti in corso. 
Anche questa foto la dobbiamo a Marco Crespi, e rappresenta uno dei sei esperimenti di Fisica delle Particelle del CERN: l'LHCb, da noi visitato il 14 ottobre 2014 scendendo fino a 90 metri di profondità. Questo esperimento utilizza le collisioni tra protoni ad energie ultrarelativistiche per studiare un tipo particolare di quark, il quark beauty (chiamato anche bottom), di cui si è ipotizzata l'esistenza per spiegare la violazione della simmetria CP nell'ambito dello scambio tra le particelle e le loro corrispondenti antiparticelle. Tale violazione non sarebbe spiegabile all'interno del Modello Standard, e richiederebbe nuovi modelli, tra cui ad esempio la Supersimmetria, che proprio l'LHC potrebbe confermare od escludere!
Ed ecco il modellino di un altro esperimento del CERN: ALICE (A Large Ion Collider Experiment at CERN). Il suo scopo è quello di studiare la fisica della materia sottoposta a densità di energia estreme, tale da dare vita ad un nuovo stato della materia detto plasma di quark e gluoni. Per questo motivo ALICE si propone di studiare adroni, elettroni, muoni e fotoni prodotti nella collisione di nuclei pesanti, ed anche collisioni protone-protone per confrontarle con le collisioni piombo-piombo.
Questa non è una fotografia, bensì un'immagine pittorica che rappresenta il vortice di materia risucchiata all'interno di un buco nero, il cui orizzonte degli eventi è rappresentato dalla palla biancastra centrale. E' visibile il fascio di radiazioni sparato nello spazio dal vortice. I buchi neri rappresentano il punto d'incontro tra meccanica quantistica e relatività di Einstein, formalmente del tutto incompatibili a causa della mancanza di una teoria quantistica della gravitazione, una delle sfide del XXI secolo.
Ed ecco un incredibile conto alla rovescia da noi fotografato al CERN di Ginevra: esso indica quanti anni, giorni, ore, minuti e secondi mancano alla morte del Sistema Solare, cioè cinque miliardi di anni! Decisamente solo quei geniacci potevano pensare ad un countdown come questo!!!
Concludiamo con un piccolo flash di astrofisica. Questa classica foto, ripresa nel 1990 dal satellite COBE, rappresenta le fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo, probabilmente gli embrioni da cui si originarono le galassie. Chi vuole saperne di più vada all'Armadio di Geografia Astronomica.
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