I raggi X e lo sviluppo della Fisica moderna. Paolo Fornasini Università di Trento, Dipartimento di Fisica

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1 I raggi X e lo sviluppo della Fisica moderna Paolo Fornasini Università di Trento, Dipartimento di Fisica

2 Sommario La scoperta dei raggi X Radiologia Cosa sono i raggi X? I raggi X e la Fisica Moderna Breve storia dell atomo La struttura dei solidi cristallini La struttura elettronica dell atomo

3 La scoperta dei raggi X

4 8 Novembre 1895 Wilhelm Konrad Röntgen ( ) e il suo laboratorio all Università di Würzburg La sera dell 8 Novembre 1895 Röntgen scopre un nuovo tipo di radiazione, che chiama raggi X.

5 Le scariche nei gas Scariche elettriche nei gas rarefatti Rocchetto di Ruhmkorff Alte tensioni impulsate Pompe da vuoto manuali P 10-6 bar J.W.Hittorf scopre i raggi catodici

6 Prima di Röntgen W. Crookes costruisce una grande varietà di tubi catodici (i tubi di Hittorf-Crookes ) W. Crookes appannamenti di pellicole presso tubi catodici - restituisce le pellicole come difettose A.W.Goodspeed ombra lasciata da due monete su una lastra fotografica - non indaga oltre P. Lenard fluorescenza inattesa al di fuori del tubo catodico non può svolgere ulteriori indagini.

7 La scoperta di Roentgen Tubo catodico schermato Fluorescenza! Nuovo tipo di radiazione? Lastra BaPt(CN) 4 -H 2 O Per sette settimane Roentgen non abbandona il laboratorio, eseguendo una serie di esperimenti decisivi per caratterizzare le proprieta dei raggi X.

8 Prime proprietà dei raggi X Elevato potere di penetrazione, dipendente da natura e densità dei materiali. I raggi X impressionano le lastre fotografiche Radiografia

9 Europa e Germania nel Guglielmo I Guglielmo II Bismark 1870 Guerra franco-prussiana 1871 Unificazione tedesca 1914 Inizio Grande Guerra

10 Il valore della scoperta scientifica La mia scoperta appartiene al mondo intero. Roentgen rifiuta di brevettare la sua scoperta, favorendo così il rapido sviluppo delle applicazioni. Röntgen comunica subito ai colleghi di tutto il mondo la sua scoperta, illustra gli esperimenti condotti e le sue ipotesi. Fisici, medici e molti altri iniziano subito a studiare e utilizzare la nuova radiazione.

11 La scoperta si diffonde Röntgen invia all'associazione Fisico-Medica di Würzburg e a colleghi sparsi in tutto il mondo la comunicazione della scoperta Neue Freie Presse (Vienna) Frankfurter Zeitung London Standard New York Corriere della Sera Alto Adige (Trento) Iniziano subito in Europa e in America le prime applicazioni mediche: Febbraio 1896: primo trattamento contro il cancro a base di raggi X Maggio 1896: prime radiografie in guerra (guerra italo-etiopica).

12 Radiografia

13 I tubi a raggi X Tubo da vuoto Anodo Tubo di Coolidge, 1913 HV Raggi X Elettroni Catodo Alimentatore Filamento

14 Il meccanismo della radiografia L assorbimento dipende da tipo e densità del materiale Sorgente Campione Lastra fotografica

15 Gli inizi della radiologia

16 L evoluzione della radiologia Dalle prime radiografie alla TAC

17 Radiologia oggi Tomografia Assiale Computerizzata

18 Il primo Nobel per la Fisica W.K. Roentgen Nobel per la Fisica Altri Nobel per ricerche con raggi X 6 per la Fisica 4 per la Chimica 2 per la Medicina

19 Cosa sono i raggi X??

20 Cosa sono i raggi X I raggi X sono onde elettromagnetiche

21 Onde nell acqua velocità v λ lunghezza d onda

22 La fisica delle onde Istante fisso Lunghezza d onda λ Y Frequenza ν = 1 T posizione Velocità di propagazione v = λ T = λν Posiz. fissa Y Periodo T Y t 2 posizione tempo t 1

23 Onde elettromagnetiche Campo elettrico Campo magnetico Velocità di propagazione nel vuoto: c = m/s m/s

24 Lo spettro elettromagnetico ν (Hz) 10 2 ELF λ (m) 10 6 Luce visibile 700 nm Radio AM Radio FM, TV-UHF 10 6 Radio onde 10 2 TV-UHF, cellulari Micro onde I R 10-6 Raggi X: λ nm UV X nm ν Hz γ 10-14

25 Generazione di onde elettromagnetiche Una carica elettrica accelerata emette onde elettromagnetiche r a r a Antenna radio/trasmittente Anodo di tubo a raggi X e - r a r v

26 Raggi X e Fisica Moderna Storia dell atomo Struttura dei cristalli Spettroscopia atomica

27 Fisica Classica e Fisica Moderna Meccanica classica Termodinamica Elettromagn. Atomi Particelle sub-atomiche Relatività Meccanica quantistica

28 Breve storia dell atomo

29 Atomi: le origini Atomi discontinuità Democrito Epicuro Empedocle Aristotele 200 T. Lucrezio Caro 100 AC 4 elementi continuità

30 L ipotesi atomica in chimica J.L. Proust proporzioni costanti J. Dalton proporz. multiple atomi Gay-Lussac gas: rapporti di volume Berzelius simboli chimici He R. Boyle Materia = particelle in movimento A.L. Lavoisier elementi chimici qualità delle particelle 1860 S. Cannizzaro A. Avogadro atomi e molecole legge del volume di gas diversi S. Arrhenius dissociazione elettrolitica

31 L ipotesi atomica in fisica (1) 1896 Radioattività: raggi α, β, γ 1869 Raggi catodici 1895 Raggi X 1897 Elettrone Teoria cinetica dei gas (J.K. Maxwell, ) Interpretazione statistica della termodinamica (L. Boltzmann ) Modello di Thomson

32 L ipotesi atomica in fisica (2) Esperienza di Rutherford α + α NO SI 1905 Interpretazione dei moti browniani (Einstein) F = k q 1q 2 r 2??? Modello di Bohr

33 La struttura dei cristalli

34 Cristalli Legge della costanza degli angoli R. de l Isle ( ) Cristallo di quarzo (SiO 2 ) Impaccamento regolare di unità strutturali microscopiche R.J. Haüy ( ) Classificazione dei cristalli

35 Atomi e cristalli IPOTESI: Unità strutturali = atomi Esempio: NaCl Masse atomiche: Na 38,12 x g Cl 58,85 x g Struttura cubica 1 cm 3 m = 2,165 g N = 44,6 x atomi 0,28 nm CONCLUSIONE: Distanze interatomiche Dimensioni atomiche lunghezze d onda raggi X

36 Diffrazione (1) Schermo con fenditura Profilo di intensità Onda incidente Onda diffratta Luce visibile, λ nm

37 Diffrazione (2)

38 Reticoli di diffrazione (1) 1 fenditura Diffrazione N fenditure Diffrazione + inteferenza

39 Reticoli di diffrazione (2) Distanza tra le fenditure y=tan(theta) Larghezza delle fenditure

40 Reticoli Diffrazione di diffrazione da atomi (2) Distanza tra gli atomi y=tan(theta) Dimensioni atomiche

41 Diffrazione X da cristalli Fenditure centri diffusori (atomi) 1 dimensione 3 dimensioni NaCl Monaco di Baviera, 1912: Max von Laue W. Friedrich & P.Knipping

42 Cristallografia Cambridge, 1912/13 William Henry Bragg ( ) William Lawrence Bragg ( ) Uno spettrometro di Bragg

43 Piani cristallini

44 La legge di Bragg λ θ d 2d hkl sinθ = nλ Condizione per interferenza costruttiva

45 La struttura dei cristalli Reticolo geometrico + base = struttura cristallina

46 I reticoli cristallini

47 Figure di diffrazione Rame Silicio Cont (111) Cu (polvere) Cont Si (polvere) (200) (220) (311) (331) θ (gradi) θ (gradi)

48 Macro e micro-cristalli Silicio monocristallino, 13 cm Cromo, microscopia elettronica Struttura a grani

49 La Fisica dello Stato Solido Struttura microscopica dei materiali cristallini Proprietà termodinamiche Calori specifici Dilatazione termica Conduzione termica Proprietà elettriche Conducibilità elettrica Semiconduttori Superconduttori Proprietà magnetiche Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo Applicazioni tecnologiche

50 Spettroscopia X

51 Spettroscopia ottica Luce bianca Prisma: dispersione della luce Spettro

52 Spettri atomici ottici Lampada a incandescenza Spettri atomici di emissione Lunghezza d onda (nm)

53 La struttura dell atomo Modello di Bohr-Sommerfeld Modello della meccanica quantistica Stati stazionari stabili Ipotesi non classiche! Energie di legame degli elettroni: valori discreti Transizioni tra livelli energetici E 1 E 2 = hν onde elettromagnetiche

54 Unità di energia Il joule (J) m=0,1 kg 1 J = 1 N m E p = mgh 1 J h=1m Unità SI - e - 1 V + L elettronvolt (ev) 1 ev = (63) x J 1.6 x x J Unità non-si ammessa all uso

55 L atomo di idrogeno Energie di legame dell elettrone (ev) - 0,85-1,5-3,4 E b = 13,607 n 2, n =1,2, 3... Livelli di energia discreti Stati stazionari 0,01 pm 100 pm - 13,6 M n m e =1850

56 Stato fondamentale e stati eccitati Stato fondamentale E p (ev) - 0,85-1,5 Stato eccitato E p (ev) - 0,85-1,5-3,4-3,4-13,6-13,6

57 Transizioni radiative E p (ev) 0 Assorbimento Emissione E 1 E 2 = hν

58 Quanti di radiazione Ε (ev) ν (Hz) λ (m) ELF 10 6 Energia Frequenza E 1 E 2 = hν Costante di Planck: h 4,13x10-15 ev/hz Radio onde Micro onde I R UV X γ 10-14

59 Spettro dell idrogeno E p (ev) - 0,85-1,5-3,4 Serie di Balmer (visibile) Serie di Paschen (infrarosso) Serie di Lyman (ultravioletto) - 13,6

60 Atomi pesanti E p (ev) Rame, Z=29 Z elettroni Carica nucleare +Ze Interazione nucleo-elettroni Energie di legame elevate Interazioni tra elettroni Livelli energetici complicati transizioni ottiche transizioni X

61 Spettroscopia X Emissione Assorbimento Campione Eccitazione λ λ Campione Monocromatore - Legge di Bragg λ = 2 d sinθ

62 Emissione e assorbimento X E p (ev) 0 E p (ev) Spettri di emissione a righe Spettri di assorbimento a soglie hν (ev) hν (ev)

63 Ruolo della spettroscopia X Verifica della teoria quantistica dell atomo Studio della struttura elettronica di atomi e sistemi condensati Analisi elementale delle sostanze Righe e soglie caratteristiche Tecniche recenti: studi strutturali di materiali disordinati

64 Conclusioni

65 L uso dei raggi X Radiografia Raggi X Diffrazione Spettroscopia

66 Nobel per ricerche con raggi X 1901 WK Roentgen Fisica Scoperta Raggi X 1914 M von Laue Fisica Diffrazione X da cristalli 1915 WH Bragg & WL Bragg Fisica Struttura dei cristalli 1917 CG Barkla Fisica Radiazione caratteristica 1924 KMG Siegbahn Fisica Spettroscopia X 1927 AH Compton Fisica Diffusione da elettroni 1936 P Debye Chimica Diffusione nei gas 1962 M Perutz & j Kendrew Chimica Struttura dell emoglobina 1962 Watson, Wilkins, Crick Medicina Struttura del DNA 1979 Cormack & Hounsfield Medicina Tomografia assiale computerizzata 1981 KM Siegbahn Fisica Spettroscopia elettronica 1985 Hauptman & Karle Chimica Metodi strutturali diretti 1988 Deisenhofer, Huber, Michel Chimica Strutture di proteine della fotosintesi

67 I metodi della scienza Come progredisce la scienza Il rapporto teoria-esperimento La nascita della Fisica Moderna L influenza dell ambiente culturale ed economico Le finalità della ricerca scientifica Valore culturale e ricadute tecnologiche La gestione della ricerca scientifica Ricerca pura e ricerca applicata Ricerca libera e ricerca su commissione Libera diffusione dei risultati e brevetti Ricerca settoriale e ricerca integrata