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Campo: regione di spazio nella quale ad ogni punto è associato un vettore. Il concetto di campo fu introdotto da Michael Faraday (1791-1867) e perfezionato da James Clerk Maxwell (1831-1879), principalmente per descrivere l'interazione gravitazionale e quella elettrostatica. Più tardi il concetto venne generalizzato ad ogni interazione di qualsiasi natura.Le grandezze fisiche che caratterizzano il campo possono essere scalari, vettoriali, tensoriali: si hanno in corrispondenza campi scalari, campi vettoriali, campi tensoriali. Se il vettore di campo è una forza, si parla di campo di forze. Vedi paragrafo 0.2.
CERN: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare), istituito nel 1954 per la collaborazione a livello europeo nelle ricerche scientifiche, in particolare nel ramo delle particelle elementari. Ad esso aderiscono 13 Paesi, fra cui l’Italia; i suoi laboratori sono nei pressi di Ginevra. Vedi paragrafo 2.3.
Circuitazione di un vettore lungo una linea: dopo aver diviso una linea l in tanti intervallini Δl1, Δl2, ..., Δln, abbastanza piccoli per ritenere il vettore v costante in ciascuno di essi, si misurino i valori v1, v2, ..., vn di tale vettore in ciascun intervallino, si esegua la somma degli n prodotti scalari v1 Δl1, v2 Δl2, ..., vn Δln. Il risultato così ottenuto è la circuitazione cercata. Si osservi che, se il vettore v è una forza, questa definizione coincide con quella del lavoro della forza lungo la linea l; perciò il concetto di circuitazione generalizza la definizione di lavoro. Se la circuitazione di un campo lungo una qualunque linea chiusa è sempre nullo, indipendentemente dal percorso, allora quel campo si dice conservativo o irrotazionale; il nome deriva dal fatto che, in tal caso, si conserva l'energia meccanica totale. Il campo elettrico è conservativo solo in presenza di campi magnetici nulli o indipendenti dal tempo, come attesta l'equazione (0.6); il campo magnetico è conservativo solo in assenza di correnti di conduzione ed in presenza di campi elettrici nulli o indipendenti dal tempo, come attesta l'equazione (0.5). Il campo gravitazionale è invece sempre conservativo. Vedi paragrafo 0.2.
Corrente elettrica: movimento ordinato di cariche elettriche positive o negative in presenza di un campo elettrico; le traiettorie percorse dalle cariche nel loro moto sono dette linee di corrente e coincidono con le linee di forza del campo elettrico. L’insieme delle linee di corrente costituisce un circuito; questo è materialmente costituito da un sistema di corpi conduttori opportunamente collegati. L’unità di misura della corrente nel Sistema Internazionale è l’ampère (A), definito come la corrente che, percorrendo nello stesso verso due conduttori paralleli alla distanza di un metro nel vuoto, produce tra di essi una forza di attrazione di 2 x 10-7 Newton per metro di lunghezza. Una corrente la cui intensità sia costante nel tempo è detta continua, altrimenti è detta variabile. Nei circuiti percorsi da correnti elettriche variabili si producono forze elettromagnetiche di induzione che a loro volta producono nei circuiti vicini correnti elettriche indotte, come spiegato nel paragrafo 0.2.
Decadimento radioattivo: fenomeno per cui i nuclei cambiano la loro identità, trasmutando (cioè trasformandosi) in altri nuclei diversi, con emissione di radiazione. Tale fenomeno, scoperto dai coniugi Pierre (1859-1906) e Marie Curie (1867-1934), sta alla base della diminuzione di attività nel tempo da parte di una sorgente radioattiva. Si dice tempo di dimezzamento di un nucleo radioattivo il tempo necessario a ridurre la propria popolazione alla metà. Vedi paragrafo 2.3.
Effetto fotoelettrico: fenomeno che comporta la liberazione di elettroni da parte di solidi, liquidi e gas colpiti da radiazioni elettromagnetiche, ed in particolare dalla luce. Quello studiato da Einstein è il cosiddetto effetto fotoelettrico esterno, che consiste nell'emissione di elettroni da parte di una superficie su cui incide un fascio di radiazioni elettromagnetiche. Si parla invece di effetto fotoelettrico interno o fotoionizzazione quando una radiazione elettromagnetica, incidendo su un gas, provoca la liberazione di elettroni e la formazione di ioni. Vedi paragrafo 2.1.
Esperienze di Fizeau e Foucault: celebri esperienze con cui venne misurata la velocità della luce su distanze terrestri, dopo le misure su scale astronomiche effettuate dal danese Ole Roemer nel 1676. Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) si servì nel 1849 di una ruota dentata in rapida rotazione, fra i cui denti veniva fatto passare un raggio di luce, riflesso all'indietro da uno specchio lontano 8 Km. Quando non si osservava più il passaggio di luce, significava che il tempo necessario alla luce per andare e tornare era pari a quello necessario ad un dente della ruota per sostituire il precedente nel suo moto di rotazione, Con questo sistema, Fizeau trovò per c un valore di circa 315.000 Km/s. Questo metodo è purtroppo soggettivo, perché la sparizione del raggio di luce dipende anche dalla sensibilità visiva dello sperimentatore. Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) perfezionò il metodo di Fizeau adoperando un tamburo rotante ad otto facce speculari, con il quale l'estinzione del raggio di luce era sostituita da un suo spostamento angolare, oggettivamente misurabile. Il valore della velocità della luce nel vuoto risultò così di 298.000 Km/s. Entrambi i metodi comunque permisero per la prima volta di determinare la velocità della luce nei mezzi materiali e di dimostrare che essa è minore di quella nel vuoto, in accordo con il modello ondulatorio della luce. C'è da dire infine che, lavorando assieme, nel 1845 Fizeau e Foucault avevano anche ottenuto la prima immagine fotografica del Sole, in cui sono visibili alcuni dettagli della sua superficie. Vedi paragrafo 0.2
Fissione nucleare: processo consistente nella scissione di un nucleo atomico in due o più parti. La fissione ha luogo solo nei nuclei più pesanti che presentano notevole instabilità rispetto al processo, in particolare nell’uranio e nel plutonio. Nella fissione dell’uranio-235 si libera una notevole quantità di energia. Quella prodotta in reazioni non controllate è purtroppo alla base della famigerata bomba atomica, mentre, controllando tali reazioni, l’energia diviene disponibile per usi pacifici, grazie ai reattori nucleari. Vedi paragrafo 3.4.
Flusso di un vettore attraverso una superficie: dati un campo vettoriale v ed una superficie S, si divida quest'ultima in un gran numero di elementi di superficie ΔS1, ΔS2, ..., ΔSn, abbastanza piccoli affinché il vettore v sia costante lungo ciascuno di essi. Si misurino quindi i valori v1, v2, ..., vn di tale vettore lungo ogni superficie. Detti u1, u2, ..., un i versori perpendicolari a ciascuno dei suddetti elementi di superficie (si ricorda che il versore è un vettore di modulo unitario), si eseguano i prodotti scalari tra v1 e u1, tra v2 e u2, e così via. Si dice flusso del vettore v attraverso la superficie S la somma Φ = v1 x u1 ΔS1 + v2 x u2 ΔS2 + ... + vn x un ΔSn . Si può dimostrare che, nel caso in cui v rappresenti il campo di velocità delle molecole di un fluido, la definizione di flusso coincide con quella di portata volumica dentro un condotto, espressa in m3 / s; perciò il concetto di flusso è una generalizzazione del concetto di portata. Se il flusso di un vettore attraverso una qualunque superficie chiusa è nullo, quel campo si dice solenoidale; ciò significa che le linee di forza di quel campo sono sempre chiuse, ed esso è privo di sorgenti di campo; è questo il caso del campo magnetico, nel quale il monopolo non esiste (mentre invece esistono il monopolo elettrico, coincidente con la carica elettrica, ed il monopolo gravitazionale, coincidente con la massa). Vedi paragrafo 0.2.
Forza di Lorentz: è così detta, dal nome dello scienziato autore tra l'altro delle trasformazioni (3.4), la forza FL che agisce su di una carica q iniettata in un campo magnetico di intensità B con velocità v. La sua espressione analitica è la seguente: FL = q v x B, dove x indica il prodotto vettoriale tra i vettori v e B. Essa è sempre perpendicolare alla velocità e quindi, quando una particella carica viene iniettata in campo magnetico, essa subisce un moto di precessione elicoidale; tale moto è responsabile, per esempio, dell'esistenza delle Fasce di Van Allen, formate dalle particelle del vento solare intrappolate dalla forza di Lorentz dentro le linee di forza del campo magnetico terrestre. Vedi approfondimento 3.
Frange di interferenza: quando due raggi di luce interferiscono tra di loro, sullo schermo su cui essi si proiettano si distinguono nettamente delle bande o frange, rettilinee, bianche, nere e colorate disposte perpendicolarmente alla linea che congiunge i centri dei due raggi di luce; queste prendono il nome di frange di interferenza. La frangia centrale è bianca; quindi, da una parte e dall'altra, vi sono due bande nere disposte simmetricamente e poi ancora delle frange iridate nelle quali si possono distinguere dei massimi e dei minimi di intensità luminosa. Quando si opera con luce monocromatica si ottiene un sistema di frange alternativamente brillanti e oscure più o meno equidistanti, mentre se si passa da radiazioni rosse a radiazioni violette si osserva una diminuzione di ampiezza delle bande. L'interferometro di Michelson-Morley funzionava proprio studiando le frange di interferenza dei due raggi in cui un singolo raggio viene scisso da uno specchio semiargentato. Vedi paragrafo 1.2.
Frequenza: dicesi frequenza di un’onda il numero di volte nell’unità di tempo in cui un suo punto riprende le stesse caratteristiche di moto, cioè il numero di oscillazioni al secondo; è pari all’inverso del periodo di oscillazione dell'onda. Vedi paragrafo 1.2 e 3.3.
Fusione nucleare: reazione nucleare che si verifica quando due nuclei leggeri collidono e danno luogo a un nucleo più pesante, con liberazione di energia, e ad altri prodotti di reazione. Tale reazione può avvenire solo se i nuclei reagenti sono dotati di altissima energia perché, essendo entrambi positivi, possono avvicinarsi tanto da poter reagire solo se la loro energia supera la barriera di potenziale elettrostatica. La fusione nucleare è stata sfruttata sotto forma esplosiva nella realizzazione delle bombe termonucleari o all’idrogeno (bombe H). La sua utilizzazione in forma controllata, che permetterebbe di produrre quantità praticamente illimitate di energia elettrica senza il pericolo di fughe radioattive presentato dalla fissione nucleare, non sembra essere prossima a causa delle enormi difficoltà tecniche, nonostante gli importanti risultati raggiunti nel dicembre 1991 nei laboratori del CERN. Vedi paragrafo 3.4.
Induzione elettromagnetica: fenomeno fisico che consiste nella comparsa di una forza elettromotrice indotta in un circuito, detto indotto, che viene immerso in un campo magnetico variabile con il tempo. Michael Faraday (1791-1867) e Joseph Henry (1797-1878) dimostrarono che la forza elettromotrice indotta risulta proporzionale in modulo alla variazione nel tempo del flusso del campo magnetico inducente (legge di Faraday-Henry), e questa costituisce la quarta equazione di Maxwell (0.6). Vedi paragrafo 0.2.
Interferenza: fenomeno prodotto dalla sovrapposizione di due o più vibrazioni di uguale frequenza, o di due o più onde di uguale lunghezza. L’intensità dell’onda, risultante presenta, nei diversi punti dello spazio, rafforzamenti (interferenza costruttiva) ed indebolimenti (interferenza distruttiva). Si può dimostrare che le onde prodotte da due sorgenti coerenti (cioè le cui oscillazioni sono uguali in ampiezza, frequenza e fase) danno vita ad interferenza costruttiva se la differenza fra i cammini ottici è pari ad un numero intero di lunghezze d'onda, ad interferenza distruttiva se la differenza fra i cammini ottici è pari ad un numero dispari di lunghezze d'onda. Vedi paragrafo 1.2 ed approfondimento 1.
Legge di Ampére: legge che permette di esprimere la circuitazione del campo magnetico lungo un percorso chiuso, in funzione della corrente concatenata con quel percorso (cioè della corrente che attraversa ogni superficie avente quel percorso come contorno). Essa attesta la diretta proporzionalità tra le due grandezze citate: C(B) = µ i, La costante di proporzionalità è la permeabilità magnetica µ del mezzo (µ0 se ci troviamo nel vuoto). Tale legge discende immediatamente dalla definizione di circuitazione e dalla legge di Biot-Savart, la quale esprime il campo magnetico generato da un conduttore rettilineo percorso da corrente, sulla scorta degli studi di Oersted e di Ampére. Vedi paragrafo 0.2.
Leptone: (dal greco "leggero") particella elementare la cui massa ha ordine di grandezza minore o uguale di quella dell'elettrone. E' ritenuta priva di ulteriore struttura interna. Sono leptoni l’elettrone, il muone, la particella tau, i neutrini e le corrispondenti antiparticelle. Vedi paragrafo 2.2.
Linee di forza: sono linee tangenti in ogni punto al vettore di un campo di forze in quel punto. Queste linee forniscono una rappresentazione geometrica delle direzioni dei vettori del campo. Vedi paragrafo 0.2.
Lunghezza d'onda: così è detta la distanza tra due punti consecutivi dell’onda in concordanza di fase, che cioè si trovano contemporaneamente nello stesso stato di moto (ed hanno subito un'oscillazione di uguale ampiezza). Vedi paragrafo 1.2.
Massa inerziale: grandezza che misura l'inerzia di un corpo, ovverossia la sua tendenza a mantenere il proprio stato di moto in base al Primo Principio della Dinamica. Nel Secondo Principio della Dinamica (1.1): essa compare come coefficiente di proporzionalità tra la forza F e l'accelerazione a. Isaac Newton (1642-1727) dimostrò l'identità tra la massa inerziale e la massa gravitazionale, cioè la sorgente del campo gravitazionale. Vedi paragrafo 4.1.
Meccanica quantistica: branca della Fisica che studia il comportamento degli oggetti a livello atomico o subatomico, dove la meccanica classica non è più applicabile. La meccanica quantistica venne iniziata proprio da Einstein con il suo articolo del 1905 sull'effetto fotoelettrico, ma venne sviluppata principalmente da Werner Heisenberg (1901-1976), autore dell'omonimo principio di indeterminazione e della formulazione della meccanica delle matrici, e da Erwin Schrödinger (1887-1961) che fondò la meccanica ondulatoria, del tutto equivalente alla precedente. Lo studio di sistemi atomici e subatomici i cui elementi si muovono con velocità confrontabili con quella della luce viene effettuato nell’ambito della meccanica quantistica relativistica, ad opera di Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984). Vedi paragrafo 2.1 e la biografia di Einstein.
Mesone: (dal greco "intermedio") particella subatomica della categoria degli adroni, cioè delle particelle soggette alla forza nucleare forte. La sua massa è intermedia fra quella dell'elettrone e quella del protone; sono mesoni la particella pi (o pione) e la particella K (o kaone). Bisogna far notare come, storicamente, la prima particella ad essere catalogata in questa categoria, il mesone µ o muone, non è in realtà un mesone in quanto non soggetta a forza nucleare forte (oggi sappiamo che è un leptone). Vedi paragrafo 2.2.
Microsecondo: un milionesimo di secondo (µs). Vedi paragrafo 2.2.
Moto rettilineo uniforme: moto che avviene lungo una traiettoria rettilinea e con velocità costante. Vedi paragrafo 0.1.
Neutrino: particella fondamentale di massa piccolissima, anche se finora nessuno è mai riuscito a dimostrare che sia perfettamente nulla. Venne ipotizzata nel 1931 da Wolfgang Pauli (1900-1958), per giustificare la conservazione della quantità di moto a livello subatomico; sulla sua esistenza fu basata la teoria delle interazioni deboli di Enrico Fermi (1901-1954). Fu però rivelato solo nel 1956 da Frederick Reines e Clyde Cowan jr, che utilizzarono come sorgente neutrinica il reattore di Savannah River (USA). È membro della famiglia dei leptoni, comprendente tre tipi di particelle (elettrone, muone e tau), a ciascuna delle quali è associato un tipo diverso di neutrino: si hanno il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Per ogni tipo di neutrino esiste il corrispondente antineutrino. Vedi paragrafo 2.2 e 4.5.
Parità: è la proprietà che caratterizza il comportamento rispetto all’inversione spaziale (x à - x) della funzione d’onda mediante la quale in meccanica quantistica si descrive lo stato di una particella. Si dice che la funzione d’onda ha parità dispari o pari se, cambiando il segno di una o più variabili spaziali da cui dipende, essa cambia o no di segno. Nel 1957 i fisici cinesi Tsung Dao Lee (1926-) e Chen Ning Yang (1922-) dimostrarono sperimentalmente che nelle interazioni nucleari deboli gli elettroni prodotti venivano emessi in numero maggiore in direzione opposta a quella del campo. Ciò equivale a dire che in tale emissione vi è un orientamento privilegiato e che quindi, almeno in taluni casi, vi è differenza tra i due possibili orientamenti di una retta. A questo importante fenomeno si dà il nome di non conservazione della parità, e nel 1957 fruttò il Nobel ai suoi scopritori. Vedi paragrafo 4.4.
Positrone: particella elementare, detta anche antielettrone, di massa uguale a quella dell’elettrone e di carica uguale ma positiva; il positrone è cioè l’antiparticella dell’elettrone. L’esistenza del positrone fu postulata da Dirac, ma la sua scoperta (1932) si deve a Carl David Anderson (1905-1991). La fotografia sottostante rappresenta per l'appunto la prima osservazione del positrone eseguita dallo stesso Anderson. Vedi paragrafo 4.3.
Plutonio: elemento chimico artificiale transuranico (simbolo Pu, numero atomico 94) scoperto nel 1940 da Glenn Theodor Seaborg (1912-), Edwan Mattison MacMillan (1907-1991) e collaboratori. È un elemento radioattivo che si ottiene nei reattori nucleari partendo dall’uranio-238. L’isotopo più facilmente ottenibile è il Pu-239 (periodo di dimezzamento di circa 24.000 anni), che si forma abbondantemente nei reattori nucleari. Il plutonio e i suoi sali tendono a fissarsi in alcuni tessuti, in particolare nelle ossa, dando luogo a gravi lesioni dovute alla sua radioattività; è inoltre un potentissimo veleno chimico. Purtroppo è uno dei principali costituenti degli ordigni nucleari. Vedi paragrafo 3.4.
Quantità di moto: detta anche impulso, rappresenta il prodotto tra la massa e la velocità di un corpo. Fu introdotta da René Descartes (Cartesio, 1596-1650) e si misura in m Kg s-1. L'importante principio di conservazione della quantità di moto afferma che il prodotto m v si conserva nei sistemi isolati, cioè non soggetti a forze esterne. Vedi paragrafo 4.1.
Successione: Insieme di elementi posti in corrispondenza biunivoca con l’insieme N dei numeri naturali. Nelle successioni di numeri reali si hanno successioni limitate superiormente (che cioè ammettono un limite superiore), successioni limitate inferiormente, successioni limitate (che ammettono un limite superiore e uno inferiore). Si dicono successioni convergenti quelle in cui, al crescere del numero n di termini, il termine ennesimo tende a un valore limite finito; si dicono invece successioni divergenti quelle in cui, quando n tende all'infinito il termine generico cresce indefinitamente. Sono dette irregolari o oscillanti quelle per cui il suddetto limite non esiste. Vedi paragrafo 3.4.
Tensore doppio (o di ordine 2): ente matematico caratterizzato da N2 componenti, dove N è il numero di dimensioni. In tre dimensioni un tensore ha perciò nove componenti, mentre un vettore ne ha solo tre ed uno scalare ne ha una. Il concetto di tensore nel suo significato attuale si deve a Woldemar Voigt (1850-1919), ma il merito di aver sviluppato e posto in evidenza la sua importanza spetta principalmente ai matematici italiani Gregorio Ricci Curbastro (1853-1925) e Tullio Levi-Civita (1873-1941), che posero i fondamenti teorici del calcolo tensoriale, detto allora calcolo differenziale assoluto. La teoria dei tensori ha importanza fondamentale in fisica e in geometria: il calcolo tensoriale fornì tra l’altro ad Einstein lo strumento matematico per la formulazione della relatività generale. Vedi paragrafo 1.1.
Teorema dell'energia cinetica: esso afferma che il lavoro compiuto su di un corpo è pari alla variazione della sua energia cinetica ( m v2 / 2 ). La sua dimostrazione rigorosa richiede il calcolo differenziale. Vedi approfondimento 2.
Teoria del Tutto: ardita teoria della fisica moderna, la quale prevede che, ad altissime energie, tutte le forze della natura (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole) si trasformino in un'unica interazione, la stessa che operava all'inizio del Big Bang, quando la densità e la temperatura raggiungevano valori spaventosamente grandi. La Teoria del Tutto, sognata già da Einstein, è a tutt'oggi molto lontana da una formulazione compiuta, soprattutto a causa di tre motivi: la mancata realizzazione di una teoria quantistica della gravitazione; l'impossibilità di sottoporre le conclusioni teoriche a verifiche sperimentali dirette (secondo S.Hawking ci vorrebbe un acceleratore di particelle il cui anello è più ampio della nostra galassia!), e soprattutto l'inesistenza di una matematica adatta a descrivere ciò che accade a temperature tanto elevate e su scale temporali dell'ordine del "tempo di Planck" (10-43 secondi). La Teoria del Tutto resta comunque il Sacro Graal cercato con foga dai fisici di tutto il mondo. Vedi la biografia di Albert Einstein.