DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

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1 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE PERCORSO DI DIVULGAZIONE SCIENTIFICA PER SPIEGARE IN MODO ELEMENTARE ED ACCESSIBILE A TUTTI COM' E' FATTO E COME FUNZIONA IL MONDO FISICO DAI QUARK AL DNA, DALLE STELLE ALLE GALASSIE, DAL BIG BANG ALL' UNIVERSO ATTUALE ED OLTRE RELATORE: PROF. ANTONINO CUCINOTTA

2 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE I INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA: DAGLI ATOMI DI LEUCIPPO E DEMOCRITO ALLA TEORIA ATOMICA DI DALTON, AVOGADRO E CANNIZZARO FONDATORI DELLA CHIMICA MODERNA

3 CALCOLI IN NOTAZIONE SCIENTIFICA MULTIPLI 10 = = 10 x 10 = = 10 x 10 x 10 = 10 3 = Kilo, K = 10 x 10 x 10 x 10 = = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10 6 = Mega, M = 1000 K = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10 9 = Giga, G = 1000 M = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10 9 = Tera, T = 1000 G

4 Sottomultipli 0,1 = 1/10 = 10-1, deci, d 0,01 = 1/100 = 10-2,centi, c 0,001 = 1/1000 = 10-3,milli, m 0, = 1/ = 10-6,micro, μ 0, = 1/ = 10-9,nano, n 0, = 1/ = 10-12, pico, p 0, = 1/ = 10-15, femto,f

5 ESEMPI 5 x 10 4 x 8 x10-3 = 40 x 10 (4-3) = 40 x 10 = ,7 x : 7,4 x ,175 x 10 ( ) = = 6,175 x 10 3

6 ESEMPI CALCOLO DEL TEMPO T IMPIEGATO DALLA LUCE SOLARE PER RAGGIUNGERE LA TERRA d: distanza media Terra-Sole = Km = c: velocità della luce nel vuoto = km/s T = d/c = 150 x 10 6 / 3 x 10 5 = 50 x 10 (6-5) secondi = =500 s = 500/60 minuti 8,33 minuti

7 1 ANNO LUCE (A. L.) = ESEMPI = Km/s x 3600 x 24 x 365 = = 3 x 10 5 x x 365 = 3 x 10 5 x 8,64 x 10 4 x 3,65 x 10 2 Km = = 3 x 8,64 x 3,65 x 10 ( ) Km 94,608 x Km = = 9,4608 x Km = 9460,8 x 10 9 Km = 9460,8 miliardi di Km

8 ESEMPI CARICA DELL' ELETTRONE e = 1,6 x C (Coulomb) Un ferro da stiro da 2000 W assorbe,alimentato a 230 V, una corrente con intensità I = 2000/230 8,695 A (Ampere) = 8,695 Coulomb/s, che equivale allo spostamento lungo il filo di 8,695 : 1,6 x ,343 x elettroni/secondo. La corrente di 1 A = 1 Coulomb/secondo equivale allo spostamento di 1/1,6 x ,25 x elettroni/secondo

9 ESEMPI MASSA DEL PROTONE : Mp = 1,673 x Kg MASSA DELL' ELETTRONE Me = 0,91 x Kg IL PROTONE HA UNA MASSA Mp/Me = 1,673 x / 0,91 x ,838 x 10 3 = = 1838 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA DELL' ELETTRONE

10 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LEUCIPPO DI MILETO

11 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DEMOCRITO DI ABDERA

12 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE L' ANTICA GRECIA

13 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JOHN DALTON

14 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE AMEDEO AVOGADRO

15 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STANISLAO CANNIZZARO

16 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DIMITRI MENDELEEV

17 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI (DI MENDELEEV)

18 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WILLIAM CROOKES

19 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE TUBI DI CROOKES (SCARICA ELETTRICA IN UN GAS RAREFATTO)

20 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE TUBO A RAGGI CATODICI

21 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE HEINRICH HERTZ NEL 1886 GENERA E RIVELA A BREVE DISTANZA LE ONDE ELETTROMAGNETICHE PREVISTE TEORICAMENTE DA MAXWELL

22 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ONDE ELETTROMAGNETICHE

23 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

24 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

25 RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA LUCE

26 LA DISPERSIONE DELLA LUCE ATTRAVERSO UN PRISMA

27 SINTESI DELLA LUCE BIANCA CON IL DISCO DI NEWTON

28 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

29 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WIHLELM CONRAD ROENTGEN SCOPRE I RAGGI X (1895)

30 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE MODERNO TUBO A RAGGI X (DI COOLIDGE)

31 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE HENRY BECQUEREL SCOPRE LA RADIOATTIVITA' DEI SALI D'URANIO (1896)

32 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE I CONIUGI CURIE SCOPRONO IL POLONIO ED IL RADIO ( ).

33 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JOSEPH THOMSON SCOPRE L' ELETTRONE (1897)

34 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE II MATERIA E RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA I PIONIERI DELLA FISICA DEL XX SECOLO MAX PLANCK SPIEGA LO SPETTRO DEL CORPO NERO ENUNCIANDO IL PRINCIPIO DI QUANTIZZAZIONE DELL 'ENERGIA (1900)

35 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE

36 FRANUNHOFER INVENTA IL RETICOLO DI DIFFRAZIONE (1814) E STUDIA LO SPETTRO SOLARE

37 SPETTRO DI ASSORBIMENTO SOLARE

38 SPETTRI DI EMISSIONE E DI ASSORBIMENTO DEL SODIO

39 I RAGGI ULTRAVIOLETTI : UVA, UVB, UVC

40 KIRCHHOFF E BUNSEN INVENTANO LO SPETTROSCOPIO (1859)

41 SPETTROSCOPIO

42 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ALBERT EINSTEIN SPIEGA L' EFFETTO FOTOELETTRICO CON L' IPOTESI DEI FOTONI (1905) (QUANTI DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA)

44 ATOMO DI THOMSON

45 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ERNEST RUTHERFORD SCOPRE IL NUCLEO ATOMICO (1911)

47 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE NIELS BOHR ELABORA LA TEORIA QUANTISTICA DELL' ATOMO DI IDROGENO (1913)

49 ISOTOPI

50 ISOTOPI

51 IDROGENO H 1 1 Z = 1, N = 0, A = 1 DEUTERIO D o H 2 1 Z = 1, N = 1, A = 2 TRIZIO T o H 3 1 Z = 1, N = 2, A = 3

52 LITIO Li 3 7 Z = 3, N = 4, A = 7 10 BORO B 5 Z = 5, N = 5, A = 10 CARBONIO 12 C 12 6 Z = 6, N = 6, A = 12

53 14 CARBONIO 14 C 6 Z = 6, N = 8, A = ARGENTO Ag 79 Z = 47, N = 60, A = FERRO Fe 26 Z = 26, N = 30, A = 56

54 URANIO 234 U (0,0057 %) U Z = 92, N = 142, A = 234, URANIO 235 U (0,7204 %) U Z = 92, N = 143, A = 235, 238 URANIO 238 U (99,273 %) U 92 Z = 92, N = 146, A = 238,

55 IODIO 127 (STABILE) I Z = 53, N = 74, A = 127, IODIO 131 (RADIOATTIVO) I Z = 53, N = 78, A = 131

56 ASTON INVENTA LO SPETTROMETRO DI MASSA (1920)

57 SPETTROMETRO DI MASSA PER LA RIVELAZIONE DEGLI ISOTOPI

58 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA

59 ATOMO DI CARBONIO

60 ATOMO DI CLORO

61 ATOMO DI SODIO

62 ATOMO DI ALLUMINIO

63 ATOMO DI RAME

64 ATOMO DI URANIO

65 ATOMO AL MICROSCOPIO ELETTRONICO

66 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WILLIAM HENRY BRAGG E WILLIAM LAWRENCE BRAGG SCOPRONO LA STRUTTURA CRISTALLINA DELLA MATERIA CON ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X (1913)

67 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X

68 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STRUTTURA CRISTALLINA DEL CLORURO DI SODIO

69 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE STRUTTURA CRISTALLINA DEL DIAMANTE E DELLA GRAFITE

70 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE CRISTALLI DI DIAMANTE E DI GRAFITE

71 LA SCOPERTA DEL DNA (1953) ROSALINDE FRANKLIN, WATSON E CRICK

72 LA STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL DNA

73 MODELLO DELLA STRUTTURA DEL DNA

74 IL PRIMO DIFFRATTOGRAMMA A RAGGI X DEL DNA

75 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ARTHUR COMPTON CONFERMA SPERIMENTALMENTE L' IPOTESI DEI FOTONI DI EINSTEIN (1922)

76 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE L' EFFETTO COMPTON CONFERMA L' ESISTENZA DEI FOTONI DI EINSTEIN

77 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LOUIS DE BROGLIE FORMULA L' IPOTESI ONDULATORIA DELLA MATERIA (1924)

78 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ERWIN SCHROEDINGER ELABORA LA MECCANICA ONDULATORIA (MECCANICA QUANTISTICA) (1925)

79 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WOLFGANG PAULI ENUNCIA IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (1925) CONSENTENDO DI SPIEGARE QUANTISTICAMENTE LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA E LA TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV

80 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE WERNER HEISENBERG ENUNCIA IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (1927)

81 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DAVISSON E GERMER VERIFICANO IL COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLA MATERIA CONFERMANDO L' IPOTESI DI DE BROGLIE (1927)

82 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE DIFFRAZIONE DI ELETTRONI E DIFFRAZIONE DI RAGGI X ATTRAVERSO LAMINE D' ORO

83 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE PAUL DIRAC APPLICANDO LA TEORIA DELLA RELATIVITA' SPECIALE DI EINSTEIN ALLA MECCANICA QUANTISTICA PREVEDE L'ESISTENZA DELL' ANTIMATERIA (1928)

85 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE JAMES CHADWICK SCOPRE IL NEUTRONE (1932)

86 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ENRICO FERMI CON I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA (SCUOLA DI FISICA DI ROMA )

87 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE ETTORE MAJORANA NEL 1933 ELABORA, PRIMA DI HEISENBERG, LA TEORIA DELLE FORZE NUCLEARI

88 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI (VICTOR HESS )

92 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE III LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI DELL' UNIVERSO

93 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE FONDAMENTALI DEL MODELLO STANDARD: QUARK PRIMA GEN. SECONDA GEN. TERZA GEN. SU, GIU' STRANO, INCANTATO ALTO, BASSO LEPTONI ELETTRONE MUONE TAUONE NEUTRINO NEUTRINO NEUTRINO ELETTRONICO MUONICO TAUONICO

94 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LO SCAMBIO DI UN GLUONE GENERA LA FORZA FORTE (FORZA DI COLORE) TRA DUE QUARK LO SCAMBIO DI UN FOTONE GENERA LA FORZA ELETTROMAGNETICA TRA DUE PARTICELLE CARICHE LO SCAMBIO DEI BOSONI VETTORI DI RUBBIA (W+,W-, Z ) GENERA LA FORZA DEBOLE (FORZA DI CAMBIAMENTO DI SAPORE) TRA DUE QUARK O TRA DUE LEPTONI

95 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE DEL MODELLO STANDARD

96 UNITA' DI MISURA DELL'ENERGIA IN FISICA ATOMICA E NUCLEARE 1 ev (ELETTRONVOLT) = 1,6 x J (Joule) 1 JOULE EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UNA MASSA DI CIRCA 102 GRAMMI IN CADUTA LIBERA DALL' ALTEZZA DI 1 METRO. 1 ev EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA ACQUISITA DA UN CORPO DOTATO DI UNA CARICA DI 1,6 x COULOMB SOTTOPOSTO ALLA TENSIONE ACCELERATRICE DI 1 VOLT

97 MULTIPLI DELL' ELETTRONVOLT 1 KeV (KILOELETTRONVOLT) = 10 3 ev 1 MeV (MEGAELETTRONVOLT) = 10 6 ev = 1000 KeV 1 GeV (GIGAELETTRONVOLT) = 10 9 ev = 1000 MeV 1 TeV (TERAELETTRONVOLT) = ev = 1000 GeV 1 ev EQUIVALE ALL' ENERGIA DI AGITAZIONE TERMICA MEDIA ACQUISITA DA UN ELETTRONE ALLA TEMPERATURA DI K ( K GRADI KELVIN = GRADI CENTIGRADI (C ) + 273,16)

99 BARRIERA DI POTENZIALE PER LA FUSIONE NUCLEARE

100 BARRIERA DI POTENZIALE TRA DUE PROTONI

101 E = MC 2 PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA MASSA ED ENERGIA SE M = 1 GRAMMO, E = 10-3 Kg x (3 x 10 8 m/s) 2 = = 9 x JOULE = 9 x / 3,6 x 10 6 = 25 x 10 6 Kwh. 1 Kwh = 3,6 x 10 6 J LA COMBUSTIONE DI 1 GRAMMO DI CARBONIO PRODUCE 7865,41 calorie = 7865,41 X 4,18 = =32877,41 JOULE = 32877,41/3,6 x 10 6 = 0,009132

102 REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE

103 REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE

104 IL DIFETTO DI MASSA DELLE REAZIONI NUCLEARI CONFERMA LA LEGGE RELATIVISTICA E = mc 2 NELLA REAZIONE NUCLEARE A + B = C + D LA SOMMA M A + M B DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE E' SEMPRE LIEVEMENTE MINORE DELLA SOMMA M C + M D DELLE MASSE DEI REAGENTI. ESEMPIO: NELLA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE 1 H1 + 3 Li 7 ---> 2 He He MeV (Reazione di Cockroft e Walton, 1932) L' ENERGIA PRODOTTA (17 MeV = 17 x 10 6 x 1,6 x J = = 27,2 x J) EQUIVALE ALLA DIFFERENZA (DIFETTO DI MASSA) TRA LA SOMMA DELLE MASSE DEI REAGENTI (PROTONE E NUCLEO DI LITIO) E LA SOMMA DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE (PARTICELLE ALFA)

105 LA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE PROTONE-PROTONE

106 IL CICLO DI BETHE (HANS BETHE )

107 IL CICLO DI BETHE (CICLO CNO - CARBONIO-AZOTO- OSSIGENO)

108 DENEB SIRIO

109 LA COSTELLAZIONE DI ORIONE Betelgeuse

110 ANTARES SUPERGIGANTE ROSSA NELLA COSTELLAZIONE DELLO SCORPIONE ANTARES

111 BETELGEUSE E ANTARES DUE BELLISSIME SUPERGIGANTI ROSSE

112 NEBULOSE PLANETARIE NEBULOSA TESTA DI CAVALLO NEBULOSA OCCHIO DI GATTO

113 DALL' INFINITAMENTE PICCOLO ALL' INFINITAMENTE GRANDE LE REAZIONI NUCLEARI DI FISSIONE E FUSIONE VIDEO 1 (LA FUSIONE NUCLEARE) VIDEO 2 (LA FUSIONE NUCLEARE) VIDEO 3 (LA FISSIONE NUCLEARE) VITA E MORTE DI UNA STELLA VIDEO 1 VIDEO 2 VIDEO 3 VIDEO 4