LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE Laboratorio di Fisica Nucleare Prof. E. Maina

1. LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE Laboratorio di Fisica Nucleare Prof. E. Maina Specializzande: Bertolina Lucia Di Maggio Luisa Ferrari Trecate Irene

2. Contesto • Classe 5a di liceo scientifico con programma PNI • Tempi • 6 ore di lezione: 4 per poter spiegare adeguatamente i concetti prefissati • 2 ore da dedicare alle letture proposte • Metodologia • Lezioni a carattere frontale. • Lezione a carattere dialogato • Lavori di gruppo.

3. Prerequisiti Prerequisiti matematici §        Il calcolo algebrico §        I logaritmi e le funzioni esponenziali §        Il calcolo delle derivate Prerequisiti fisici §        Le leggi del moto di Newton §        La legge di conservazione della quantità di moto §        La legge di conservazione dell’energia §        La forza elettrica e il campo elettrico §        La forza magnetica e il campo magnetico §        Il moto delle particelle cariche §        Lo spettro elettromagnetico e le sue radiazioni Prerequisiti chimici §        Gli isotopi §        Le reazioni chimiche e il loro bilanciamento §        La massa atomica

4. Obiettivi Obiettivi generali §        Conoscere aspetti di storia della fisica atomica §        Capire che la fisica non è una scienza immutabile ma una scienza in continua evoluzione e aggiornamento §        Conoscere le basi sperimentali dei vari concetti fisici presentati §        Leggere, capire ed interpretare testi di fisica in lingua originale (lingua inglese) Obiettivi specifici §        Conoscere le basi sperimentali e teoriche che portano alle scoperte degli elettroni, del nucleo atomico, dei protoni e dei neutroni. §        Conoscere i dettagli delle varie scoperte presentate, riuscendo a coglierne gli aspetti essenziali. §        Conoscere e capire le conseguenze delle scoperte presentate, dando loro il giusto peso nella storia della fisica. §        Analizzare articoli scientifici originali, cogliendone i punti essenziali e capendo come si strutturavano le ricerche scientifiche di inizio 1900.

5. Collegamenti interdisciplinari Lettura di testi di fisica originali in collaborazione con il docente di lingua inglese Materiale e sussidi Il libro di testo adottato Schede preparate dal docente Le letture dei testi originali Valutazione Questionario, della durata di un’ora, inerente gli argomenti trattati e le letture storiche presentate, anche con domande in lingua inglese

6. Presentazione dell’argomento L’unità didattica che tratteremo, sviluppata seguendo una linea guida di tipo storico  cronologico, tocca i seguenti punti: o       La scoperta dell’elettrone o       La scoperta del nucleo o       I numeri atomici o       La scoperta del protone o       La scoperta del neutrone

7. LA SCOPERTA DELL’ELETTRONE ( J. J. Thomson ) Nel tubo a raggi catodici le particelle passano attraverso una regione di deflessione L1, in cui sono soggette a forze elettriche o magnetiche, agenti ad angolo retto rispetto alla loro direzione originale, e che poi passano attraverso una regione di drift L2, in cui si muovono liberamente fino ad urtare il fondo del tubo: quando urtano il fondo appare un alone luminoso. La formula ricavata risulta essere: = al fondo del tubo Massa del raggio × (velocità del raggio)2 Deflessione dei raggi Forza sul raggio × L1 × L2

8. Introducendo un campo elettrico Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2 = dovuto ad Massa del raggio × (velocità del raggio)2 Introducendo un campo magnetico Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2 = dovuto a Massa del raggio × velocità del raggio

9. Deduced Deduced ratio ofGas in velocity particlecathode- Material Electric Electric Magnetic Magnetic of ray mass ray of field deflection field deflection particles to chargetube cathode (N/C) (m) (Niamp.m) (m) (mlsec) (kgIC) Air Aluminum 1.5 x 104 0.08 5.5 x 10-4 0.08 2.7 x 107 1.4 x 10-11 Air Aluminum 1.5 x 104 0.095 5.4 x 10-4 0.095 2.8 x 107 1.1 x 10-11 Air Aluminum 1.5 x 104 0.13 6.6 x 10-4 0.13 2.2 x 107 1.2 x 10-11 Hydrogen Aluminum 1.5 x 104 0.09 6.3 x 10-4 0.09 2.4 x 107 1.6 x 10-11 Carbon dioxide Aluminum 1.5 x 104 0.11 6.9 x 10-4 0.11 2.2 x 107 1.6 x 10-11 Air Platinum 1.8 x 104 0.06 5.0 x 10-4 0.06 3.6 x 107 1.3 x 10-11 Air Platinum 1.0 x 104 0.07 3.6 x 10-4 0.07 2.8 x 107 1.0 x 10-11

10. Rapporto calore – carica elettrica Calore ½  massa  (velocità)2 = Carica depositata Carica elettrica delle particelle Gas in cathode Measured ratio Mass x Velocity Deduced Deduced ray tube of heat energy Electric charge velocity mass/charge to charge deposited (Kg M/sec C) (m/sec) ratio (J/C) (Kg/C) Tube 1: Air 4.6 x 103 2.3x 10-4 4x 107 0.57x 10-11Air 1.8 x 104 3.5 x 10-4 108 0.34x 10-11Air 6.1 x 103 2.3 x 10-4 5.4x 107 0.43x 10-11Air 2.5 x 104 4.0 x 10-4 1.2x 108 0.32x 10-11Air 5.5 x 103 2.3 x 10-4 4.8x 107 0.48x 10-11Air 104 2 .85x 10-4 7x 107 0.4x 10-11Air 104 2.85 x 10-4 7x 107 0.4x 10-11Hydrogen 6 x 104 2.05x 10-4 6x 107 0.35x 10-11Hydrogen 2.1 x 104 4.6 x 10-4 9.2x 107 0.5x 10-11Carbon dioxide 8.4 x 103 2.6 x 10-4 7.5x 107 0.4x 10-11Carbon dioxide 1.47 x 104 3.4 x 10-4 8.5x 107 0.4x 10-11Carbon dioxide 3 x 104 4.8 x 10-4 1.3x 108 0.39x 10-11

11. LA SCOPERTA DEL NUCLEO ( E. Rutherford) Esperienza con Geiger e Marsden dello scattering  (1911)

12. I NUMERI ATOMICI E. Rutherford (1911)

13. H. G. Moseley (1913)

14. LA SCOPERTA DEL PROTONE (E. Rutherford) 7N14 + 2He48O17 + 1H1

15. LA SCOPERTA DEL NEUTRONE (J. Chadwick) Problema: se l’atomo è fatto solo da protoni ed elettroni, come mai A > Z, ad eccezione dell’idrogeno? I. Curie e F. Joliot

16. J. Chadwick (1932) Velocità Velocità iniziale Peso atomico raggio rinculo raggio Peso atomico raggio + Peso atomico nucleo di = 2 del 

17. neutrone protone v’ vp Vp=0 v Calcolo della massa del neutrone paraffina a partire da: si ricava: