LA TECNICA RBS IN CLASSE: UN PONTE TRA LA RICERCA E LA SCUOLA PER INSEGNARE ALCUNE DELLE BASI DELLA FISICA

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1 Frascati Physics Series Italian Collection Collana: Scienza Aperta Vol. II (2010) ComunicareFisica2010 Atti 3 Convegno Comunicare Fisica e altre Scienze", Frascati, Aprile 2010 LA TECNICA RBS IN CLASSE: UN PONTE TRA LA RICERCA E LA SCUOLA PER INSEGNARE ALCUNE DELLE BASI DELLA FISICA Università degli Studi di Udine Sommario I contributi della ricerca alla scuola possono andare oltre la comunicazione dei suoi esiti. Le tecniche utilizzate per le indagini nei laboratori sintetizzano implicitamente molte conoscenze di base: possono costituire quindi un contesto per approfondire e consolidare la conoscenza fisica. Un esempio è la Rutherford Backscattering Spectrometry: permette di trattare fondamenti disciplinari generali, epistemologici e procedurali tipici, oltre ai contenuti risultati dal suo impiego. Un esperienza di attività basata sull RBS è stata realizzata con studenti di scuola superiore. 1 Introduzione La Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) costituisce oggi una delle tecniche di utilizzo corrente per l analisi degli strati superficiali dei materiali [1]. La tecnica ha come origine l esperimento compiuto da H. Geiger e E. Marsden sotto la guida di E. Rutherford [2], di indubbia importanza storica, in quanto all origine del modello atomico ancor oggi accettato nelle sue linee fondamentali, disciplinare, in quanto fondamentale esempio in relazione ai fenomeni di diffusione, applicativa, quale riferimento di molte tecniche attuali di ricerca in fisica nucleare. Tali caratteristiche già candidano l RBS all inserimento nei curricola scolastici. Inoltre, poiché la trattazione teorica dell RBS può essere effettuata secondo un approccio classico, del tutto compatibile con uno quantistico per quanto riguarda i risultati,

2 proporre nella scuola un percorso sull RBS significa anche fornire agli studenti un opportunità di acquisire consapevolezza delle basi classiche della fisica contemporanea e dei caratteri di continuità nel passaggio tra una visione classica e una quantistica della realtà. Una delle difficoltà più comuni riferite dai docenti ad inserire nuovi argomenti nei curricola sta nel conciliare i tempi propri della scuola con quelli necessari a trattare le conoscenze ritenute indispensabili per una formazione adeguata e già strutturate nei piani formativi consolidati nel tempo: ciò comporta che poche sono le esperienze di inserimento di una unità sull RBS nella scuola superiore [3]. Nell ambito del Progetto Lauree Scientifiche, iniziativa dedicata a favorire lo sviluppo di vocazioni in ambito fisico, chimico, matematico, è stato possibile offrire durante la Scuola Estiva di Fisica Moderna per studenti di Scuola Media Superiore, svoltasi presso l Università di Udine nel 2009, un modulo dedicato alla tecnica RBS. Sono state dedicate ad esso 5 ore: 4 di attività (nel pomeriggio di una giornata) e 1 di discussione conclusiva, due giorni dopo la prima parte della proposta. Tale modulo è stato organizzato con diverse finalità per gli studenti: ripercorrere alcune tappe fondamentali dell indagine sulla natura atomica della materia, con riferimento a un articolo storico, fornito, che le testimonia [2]; venire a contatto con le odierne modalità operative dei ricercatori dei laboratori, utilizzando materiali illustrativi della tecnica e misure simulate e pianificando un attività sperimentale con l ausilio di una scheda operativa; infine, cimentarsi in un attività di Problem Solving strutturata come una gara in forma di gioco di interpretazione. 2 Strutturazione del modulo sulla RBS Il modulo sull RBS può essere suddiviso in fasi: A) Riflessione sulle modalità conoscitive della fisica: Caratteristiche delle modalità di indagine della fisica, e tra queste di quelle che indagano la natura della materia, illustrando apparato e protocollo di misura della tecnica RBS (20 ) Introduzione ai modelli utilizzati in RBS (relativi alla materia e all interazione ione-materia), strumenti interpretativi delle misure ottenute: connetterli al fenomeno che si propongono di interpretare porta

3 all esplicitazione di domande che costituiscono l obiettivo dei modelli rispetto all interpretazione delle misure ottenute con l apparato RBS. (40 ) B) Lavoro a gruppi degli studenti secondo le proprie inclinazioni (teoriche o sperimentali) sulle domande emerse nella fase A. (90 ) C) Discussione guidata per arrivare alla definizione delle grandezze caratteristiche emerse dai modelli e del loro ruolo, individuandone significato fisico, connessione con la fenomenologia e ruolo interpretativo in relazione ai risultati di misura ( spettri ) (60 ) D) Illustrazione delle modalità operative per l interpretazione delle misure RBS: Presentazione di significato e ruolo dei parametri di misura, calibrazione, normalizzazione, necessari per l interpretazione quantitativa delle misure (10 ) Indicazione di una procedura per l interpretazione e illustrazione di alcuni esempi di semplici spettri interpretati (20 ) E) Consegna di 2 schede da completare per una gara di interpretazione di spettri F) (Due giorni dopo): Discussione sul lavoro di gruppo e restituzione delle soluzioni alla gara, con premiazione finale. (60 ) 3 Modulo sulla RBS: il filo Il modulo è stato proposto organizzato secondo il seguente filo: Le proprietà dei sistemi, oggetto della fisica, si ottengono attraverso un interazione con questi per produrre le misure che li caratterizzano. L indagine sulla natura della materia è resa possibile dalla disponibilità di strumenti che registrano caratteristiche di oggetti modificatisi interagendo con essa. Un esempio di tali strumenti è costituito dall apparato sperimentale e dal protocollo di misura della tecnica RBS, che forniscono come esito della misura uno spettro; esso deve essere interpretato a partire dai modelli assunti per la natura della materia e per l interazione ione bersaglio, di cui è necessario disporre. Si introduce quindi per primo il modello assunto per la materia, secondo le tappe percorse da E. Rutherford nell interpretare i dati di H. Geiger e E. Marsden, sulla base della sua ipotesi atomica [2]: in tal modo si rende esplicito agli studenti il processo che ha portato all ipotesi del modello atomico planetario rispetto a quello di Thomson e si introduce il concetto di

4 sezione d urto, collegata alla probabilità di diffusione dei proiettili e al valor medio dei risultati che si ottengono in una misura, <Ni>. Dato che l espressione analitica della probabilità di diffusione (ovvero, quella della sezione d urto) dipende dalle ipotesi sulla natura del sistema in cui avviene l interazione e sulla forma di tale interazione, l analisi dei risultati della misura collegati a tale probabilità permette di discriminare tra l ipotesi di Thomson e quella di Rutherford; più in generale, tale processo di analisi degli esiti di misura finalizzata alla verifica di ipotesi può essere effettuata in situazioni strutturalmente analoghe a quella descritta; ad esempio, nell osservazione macroscopica del processo d urto tra un bersaglio fisso e un proiettile lanciato contro di esso. Viene quindi introdotta una fase di lavoro a gruppi, che tratta di esperienze con sistemi macroscopici che costituiscono un modello oggettuale del fenomeno microscopico: l urto elastico ione-bersaglio viene associato ad un esperimento di urto tra due carrelli su una rotaia a basso attrito, in cui si determinano i valori del fattore cinematico (il rapporto tra le energie cinetiche del carrello-proiettile dopo e prima dell urto) al variare della massa del carrellobersaglio per poi confrontare i valori sperimentali con quelli teorici ricavati da due gruppi di studenti che hanno sviluppato il modello matematico; la diffusione ione - bersaglio viene associata ad un esperimento d urto di una bilia contro una sagoma (svolto da gruppi di studenti che prediligono gli aspetti sperimentali), rilevandone in prove d urto ripetute (N tot volte) la distribuzione angolare, per produrre, misurato il numero di diffusioni in una direzione θ fissata, N racc, un istogramma della probabilità di retro-diffusione della bilia-bersaglio in funzione dell angolo di scattering, θ, normalizzata alla densità dei bersagli, n, e all angolo di accettanza, Ω,. Infine, si pone il problema della perdita di energia dello ione che penetra il materiale: nel caso che l urto avvenga in profondità è necessario elaborare un modello che renda conto dei fenomeni che determinano variazioni nelle condizioni del proiettile rispetto allo stesso urto in superficie. Il problema di determinare il modello di materia e i valori del fattore cinematico, della sezione d urto e delle variazioni di energia per un urto in profondità rispetto a un urto in superficie costituiscono le domande a cui rispondere per avere a disposizione gli strumenti interpretativi dei risultati delle misure anche nel caso degli spettri RBS.

5 Successivamente al lavoro a gruppi viene effettuata una fase illustrativa (che si avvale dei contributi di discussione degli studenti rispetto al lavoro di gruppo) in cui le questioni poste in precedenza trovano risposta e senso all interno di un progetto di interpretazione di dati di misura (spettri). Si ricava un espressione analitica per le grandezze caratteristiche e un indicazione del loro ruolo, in particolare evidenziandone il significato fisico, la connessione con la fenomenologia, il ruolo interpretativo in relazione ai risultati di misura. Tutta la trattazione teorica viene giustificata in base alle caratteristiche della fenomenologia: nel rendere conto della trattazione classica del fenomeno si intende delimitare anche il campo di applicazione della fisica classica in stretta relazione di continuità anziché in contrapposizione alternativa con la fisica moderna. 4 Attività di interpretazione di spettri RBS: una gara di Problem Solving A conclusione della rassegna degli strumenti interpretativi degli spettri un elenco dei parametri coinvolti nella misura consente di mettere in relazione le misure con le condizioni in cui sono acquisite. Un indicazione di un possibile protocollo di interpretazione e alcuni esempi di spettri significativi di cui viene data l interpretazione sommaria concludono la prima parte dell attività. Agli studenti vengono infine consegnati alcuni spettri da interpretare per partecipare alla gara: viene richiesta (in un giorno) l interpretazione giustificata di quanti più spettri possibile, organizzati secondo due schede: una con spettri proposti in forma schematica e una con spettri simulati. A conclusione della Scuola un ora è stata dedicata alla illustrazione e condivisione dei lavori di gruppo e delle interpretazioni: gli studenti teorici hanno illustrato il procedimento individuato per ricavare il valore del fattore cinematico; un gruppo tra quelli sperimentali ha illustrato le problematiche incontrate per effettuare l esperimento e le soluzioni via via individuate; gli studenti che si sono meglio classificati nella gara di interpretazione hanno illustrato le soluzioni da loro trovate. Hanno consegnato schede compilate 32 studenti su 42 partecipanti, tra cui 7 hanno consegnato entrambe le schede. 5 Dati e conclusioni

6 Dall analisi dei dati emerge come la proposta è alla portata di classi liceali, consente di far esercitare su abilità interpretative gli studenti, è un opportunità per abituare gli studenti a trasferire conoscenza da un dominio all altro, a tener conto di fattori concomitanti nella misura, quali fattore cinematico e sezione d urto; infine, risulta interessante agli occhi degli studenti. 5 Ringraziamenti L ideazione e la realizzazione di proposte didattiche legate all RBS sono state portate avanti già da tempo in particolare dalla prof. Marisa Michelini, dell Università degli Studi di Udine, e dal prof. Federico Corni, dell Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia: senza il loro aiuto e sostegno non sarebbe stato realizzato né il Modulo sull RBS nella Scuola Estiva del 2009 né questo contributo. Referenze 1) W-K. Chu, J.W. Mayer, M-A. Nicolet, Backscattering Spectrometry, Academic Press, New York ) E. Rutherford, Phil. Mag. Series 6, 21, 669 (1911) 3) F. Corni, G. Ottaviani, M. Michelini, G.L. Michelutti, L. Santi, A. Stefanel, Rutherford Backscattering Spectrometry: a technique worth introducing into pedagogy, in: GIREP 1995 Book, 266.