I rivelatori. Osservare il microcosmo. EEE- Cosmic Box proff.: M.Cottino, P.Porta

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1 I rivelatori Osservare il microcosmo

2 Cose prima mai viste L occhio umano non riesce a distinguere oggetti con dimensioni inferiori a 0,1 mm (10-4 m). I primi microscopi vennero prodotti in Olanda alla fine del XVI secolo. Le prime osservazioni al microscopio risalgono agli anni Micrographia (1665) di R.Hooke: pulci, mosche, formiche.

3 I microscopi I microscopi ottici usano la luce come sorgente per illuminare l oggetto da osservare. Il loro massimo potere risolutivo, cioè la distanza minima alla quale due punti risultano distinti, è d=0,2 µm (~10-7 m).

4 I microscopi elettronici usano come sorgente un fascio di elettroni che vengono focalizzati mediante lenti magnetiche. Il loro potere risolutivo d è pari a 1 nm (10-9 m) Permettono di distinguere le molecole.

5 I microscopi a effetto tunnel sono microscopi elettronici che sfruttano un meccanismo quantistico per migliorare il potere risolutivo e portarlo a 0,4 nm (~10-10 m). Con questo tipo di microscopi si possono studiare piccole molecole.

6 Perche gli elettroni? Il potere risolutivo è proporzionale alla lunghezza d onda λ della radiazione con cui si illumina l oggetto. (diffrazione) La luce solare ha lunghezze d onda comprese tra 0,3 e 0,7 µm. Grazie alla natura duale (onda-corpuscolo) di tutte le particelle subnucleari agli elettroni è associata una λ tanto più piccola quanto maggiore è la loro quantitá di moto: λ=h/p

7 Le particelle dei raggi cosmici hanno dimensioni dell ordine dei m. Come le abbiamo scoperte? Con i rivelatori di particelle

8 I campi magnetici Una particella elettricamente carica in movimento cambia la sua traiettoria se passa all interno di un campo magnetico. (Forza di Lorentz F=qvxB) Il raggio di curvatura è inversamente proporzionale alla carica elettrica e al campo magnetico e direttamente proporzionale alla quantitá di moto. (R= mv/qb)

9 B La particella entra nel campo parallelalmente alle linee del campo magnetico B B La particella entra nel campo formando un angolo α con le linee del campo magnetico α

10 I campi elettrici I campi elettrici accelerano le particelle cariche e ne aumentano l energia. (a=qe/m) Il valore del campo elettrico E è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata e inversamente proporzionale alla distanza tra gli elettrodi. + E - d.d.p. 5V E= V/d h

11 + -

12 rivelatore Qualsiasi dispositivo che sia in grado di misurare e registrare una o più grandezze fisiche. Di una particella di solito si misurano: massa, energia, carica elettrica, I rivelatori di particelle sono in grado di vedere direttamente solo particelle elettricamente cariche.

13 Rivelatori visualizzanti, in cui il passaggio di una particella viene rivelato attraverso la visualizzazione della traccia lasciata nel mezzo. Rivelatori elettronici, in cui il passaggio della particella viene rivelato attraverso un segnale elettrico. (telescopio e cosmic box) amplificazione Finestra di ingresso. Zona sensibile Elettronica di registrazione

14 La camera a bolle La camera a bolle è stata inventata nel 1952 da D. Glaser. E un rivelatore a ionizzazione. In essa un gas viene mantenuto sotto pressione affinchè si trovi allo stato liquido ma vicino al passaggio di stato. La particella carica durante il suo passaggio ionizza le molecole del gas cedendo loro parte della propria energia. Si formano delle bollicine lungo la traiettoria della particella.

15 Rivelatori a gas Si basano sulla misura delle cariche elettriche liberate per ionizzazione all interno di una opportuna miscela gassosa. Il numero delle cariche liberate dipende dalla d.d.p. applicata agli elettrodi. Per tensioni elevate gli elettroni strappati a una molecola sono in grado di ionizzare a loro volta molecole. Si formano valanghe di elettroni che viaggiano velocemente verso l anodo. A tensioni ancora maggiori si produce una scarica nel gas.

16 Contatori a scintillazione Si chiamano scintillatori i materiali capaci di emettere luce in quantità proporzionale all energia liberata da una particella ionizzante. La luce emessa viene trasportata attraverso una guida di luce a un fotomoltiplicatore che genera un impulso elettrico proporzionale al segnale luminoso generato nello scintillatore. scintillatore guida di luce fotomoltiplicatore all elettronica per l analisi del segnale