L'ESPLORAZIONE DEL MICROCOSMO NEL XX SECOLO

DALLE RICERCHE SUI RAGGI CATODICI AL MODELLO STANDARD

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
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GLI ESPERIMENTI SUI RAGGI CATODICI

LA SCOPERTA DEI RAGGI X (1895)

LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA' NATURALE (1896)

LA SCOPERTA DELL' ELETTRONE (1897)

L'IPOTESI DI MAX PLANCK SULLA QUANTIZZAZIONE DELL'ENERGIA RADIANTE DEL CORPO NERO (1900)

LA TEORIA DELLA RELATIVITA' SPECIALE (O RISTRETTA) DI A. EINSTEIN

L'IPOTESI EINSTEINIANA DEI FOTONI CONSENTE DI SPIEGARE L'EFFETTO FOTOELETTRICO (1905)

LA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO (1911)

GLI ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE CON I RAGGI X E LO STUDIO DEI RETICOLI CRISTALLINI (1912-13)

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR-RUTHERFORD (1913)

L'IPOTESI ONDULATORIA DI DE BROGLIE (1924)

LA MECCANICA QUANTISTICA NON RELATIVISTICA DI SCHROEDINGER (1925)

IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG (1927)

LA SCOPERTA DELLO SPIN DELL'ELETTRONE (1927)

GLI ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE CON ELETTRONI (1927)

LA MECCANICA QUANTISTICA RELATIVISTICA DI DIRAC E L'IPOTESI DELL'ANTIMATERIA (1928)

L'IPOTESI DEL NEUTRINO DI WOLFGANG PAULI (1930)

LA SCOPERTA DEL NEUTRONE (1932)

GLI STUDI DI ENRICO FERMI SUI NEUTRONI(1934-1938)

LA SCOPERTA DELLA FISSIONE DELL'URANIO (1939)

DALLE RICERCHE SUI RAGGI COSMICI ALLA FISICA DELLE ALTE ENERGIE

LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELLA MATERIA : QUARK E LEPTONI

LE TRE GENERAZIONI DI QUARK E LEPTONI DEL MODELLO STANDARD

LE FORZE FONDAMENTALI DELLA NATURA ED I VETTORI DI FORZA DEL MODELLO STANDARD

DAL MODELLO STANDARD ALLE TEORIE DELLA GRANDE UNIFICAZIONE

BOMBARDAMENTO DI UN BERSAGLIO IN UN ACCELERATORE LINEARE (LINAC)

(URTI PROTONE-PROTONE)



COME FURONO SCOPERTE LE COSE INVISIBILI CHE FORMANO TUTTE LE COSE VISIBILI E TUTTI GLI ESSERI VIVENTI DEL CREATO ?

DI CHE COSA SI OCCUPA LA FISICA ATOMICA ?


I filosofi greci del V secolo a.C. diedero le risposte più disparate e fantasiose alla questione fondamentale riguardante il principio di tutta la realtà fisica:
Per Talete il principio universale è l'acqua, per Anassimene l'aria.
Per Empedocle di Agrigento sono quattro i principi fondamentali: l'acqua, l'aria, la terra ed il fuoco.
Per Anassagora di Clazomene, fondatore della prima scuola filosofica ateniese, tutti i corpi sono fatti di semi (per Aristotele omeomerie = parti simili), di natura diversa a seconda della sostanza (metalli,pietre,materia vivente) e divisibili in parti sempre più piccole (infinitesime).
I primi a parlare di atomi (dal greco atomos = indivisibile) furono Leucippo di Mileto e Democrito di Abdera, sostenitori della discontinuità della materia.
La teoria atomica di Leucippo e Democrito, contrapposta alla divisibilità continua dei semi di Anassagora, considera gli atomi che cadono nel vuoto per effetto del loro peso e si aggregano formando i corpi.
Dopo oltre 2200 anni, all'inizio del XIX secolo, il chimico e fisico inglese John Dalton, studiando le leggi delle combinazioni chimiche, dimostrò la necessità di riprendere la teoria atomica per spiegare i rapporti ponderali costanti tra le quantità degli elementi che formano i vari composti chimici.
Gli studi di Dalton furono successivamente approfonditi dal chimico e fisico torinese Amedeo Avogadro (1776-1856) e dal chimico palermitano Stanislao Cannizzaro (1826-1910), che fondarono la chimica teorica moderna, fornendo solide basi per lo straordinario sviluppo delle conoscenze fisico-chimiche del XX secolo.
Ebbe così inizio lo sviluppo della fisica atomica, che verso la fine del XIX secolo ricevette un impulso decisivo dagli studi sui raggi catodici e sui raggi X.
La prima, chiara e decisiva conferma sperimentale della natura corpuscolare della materia fu ottenuta nel 1897 da J.J. Thomson a seguito della scoperta dell'elettrone.

GLI ESPERIMENTI SUI RAGGI CATODICI

L'esplorazione del micromondo ebbe inizio nella seconda metà del XIX secolo con lo studio della scarica elettrica nei gas rarefatti.
Erano già disponibili dispositivi di laboratorio,noti come rocchetti di Ruhmkorff, capaci di generare alte tensioni,
dell' ordine di parecchie decine di kV, sfruttando i fenomeni d'induzione elettromagnetica scoperti da Faraday.
Era pertanto molto agevole studiare le caratteristiche della scarica elettrica nei tubi (di Crookes) contenenti gas rarefatti (alla pressione di qualche decimillesimo di mm di mercurio), e parecchi fisici si dedicarono allo studio delle caratteristiche dei cosiddetti "raggi catodici", emessi dal catodo dei tubi a scarica.
Nel corso di tali ricerche furono accertate le proprietà dei "raggi catodici" di sviluppare calore nell'urto contro placchette metalliche disposte sulla loro traiettoria all'interno dei tubi, e di essere deviati sia da campi elettrici,applicati ai tubi (di Braun) attraverso coppie di placchette metalliche, sia da campi magnetici generati da magneti o da elettromagneti posti in prossimità dei tubi.
Venne inoltre accertata la proprietà di tali "raggi" di propagarsi in linea retta dal catodo all'anodo,in assenza di campi elettrici e magnetici, e di produrre una fluorescenza verdastra nell'impatto contro il vetro del tubo.

LA SCOPERTA DEI RAGGI X (1895)

Studiando sperimentalmente i raggi catodici, il fisico tedesco Roentgen (Nobel 1901) (università di Karlsruhe) ,scoprì un nuovo tipo di raggi, da lui denominati X per la loro natura misteriosa, prodotti dalla decelerazione subita dalle particelle catodiche nell'urto contro il vetro del tubo.
Si sa infatti dalla teoria dell'elettromagnetismo che una carica elettrica che subisca un'accelerazione o una decelerazione, irradia onde elettromagnetiche.
I raggi X non essendo deviati, a differenza dei "raggi catodici",nè da campi elettrici , nè da campi magnetici, sono appunto, come fu accertato con diverse esperienze , radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda compresa tra qualche miliardesimo di centimetro e qualche centomilionesimo di centimetro.
Roentgen scoprì per caso i raggi X osservando la fluorescenza da essi indotta nei sali di bario, ed osservò inoltre la loro caratteristica più importante, quella di impressionare la lastra fotografica.

LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA' NATURALE (1896)

Il fisico francese Becquerel (Nobel 1903) scoprì la radioattività naturale, avendo osservato la proprietà dei sali di uranio di impressionare la lastra fotografica .
Scopri' in particolare,sperimentando in presenza di un campo magnetico, che i sali di uranio emettono tre tipi di radiazioni : a,b,g ; le prime due di natura corpuscolare, l'ultima di natura ondulatoria.
Negli anni immediatamente successivi altri fisici scoprirono che le particelle a sono dotate di carica positiva , mentre quelle b sono cariche negativamente.
Si accertò inoltre che la radiazione g, capace di attraversare strati di piombo di notevole spessore, è costituita da onde elettromagnetiche caratterizzate da una lunghezza d'onda molto minore di quella dei raggi X.
Ai coniugi Pierre e Maria Curie ,ai quali fu conferito il premio Nobel assieme a Becquerel, si deve la scoperta di un elemento,il radio, dotato di una radioattività molto più intensa di quella dell'uranio, dal quale deriva per decadimento radioattivo, attraverso una serie di elementi il cui capostipite è appunto l'uranio .
Si scoprì inoltre che gli elementi radioattivi contenuti nelle rocce della crosta terrestre appartengono a tre serie naturali di decadimento radioattivo,aventi per elementi capostipiti l'uranio, il torio e l'attinio e per elementi finali isotopi del piombo.
In altri termini, nell'arco dei 4,5 miliardi di anni di età della Terra,dagli elementi capostipiti di ciascuna serie, per emissione di particelle radioattive e di radiazione g si sono formati , in condizioni di equilibrio, tutti i successivi elementi,fino al piombo.
Infatti, determinando le attuali concentrazioni dei vari elementi nelle rocce e misurando la velocità di decadimento di ciascun elemento, si risale all'età della Terra.

LA SCOPERTA DELL' ELETTRONE (1897)

Tra le fondamentali scoperte fisiche che caratterizzano gli ultimi anni del XIX secolo, ricordiamo la misura del rapporto tra la carica elettrica e la massa dei "raggi catodici",effettuata nel 1897 dal fisico inglese Joseph John Thomson (Nobel 1906),che accertò definitivamente la loro natura corpuscolare,coniando il termine "elettrone" per la prima particella fondamentale emessa dagli atomi che formano la materia.
"Gli atomi sono analoghi a microscopici sistemi planetari".
E' questa una frase molto usata per spiegare con un'analogia la struttura dell'atomo,paragonando il Sole al nucleo atomico, la cui massa è quasi uguale a quella dell'intero atomo , ed i pianeti in orbita intorno al Sole agli elettroni che ruotano intorno al nucleo.
Si sa che il nucleo contiene particelle fondamentali dette collettivamente nucleoni,cioè protoni e neutroni: i primi circa 1840 volte più pesanti degli elettroni e dotati di carica elettrica positiva, i secondi aventi una massa quasi uguale a quella dei protoni e privi di carica elettrica.
Gli elettroni che orbitano intorno al nucleo ,dotati di una carica elettrica negativa uguale in modulo a quella del protone, formano la "corteccia" degli atomi e determinano,attraverso le forze elettromagnetiche, le proprietà meccaniche, termiche,chimiche ed elettromagnetiche della materia (metalli, semiconduttori e metalloidi) nei vari stati di aggregazione (solido,liquido, gassoso).

L'IPOTESI DI MAX PLANCK SULLA QUANTIZZAZIONE DELL'ENERGIA RADIANTE DEL CORPO NERO (1900)

In termodinamica si definisce corpo nero un corpo ideale capace di assorbire tutta la radiazione termica incidente su di esso e, viceversa, di emettere con la massima efficienza, tutta la radiazione termica corrispondente alla sua temperatura assoluta (in gradi Kelvin).
Un corpo nero in pratica si realizza con un involucro con la superficie interna riflettente,mantenuto a temperatura costante ed avente un forellino attraverso il quale venga emessa o assorbita la radiazione termica (radiazione infrarossa), il cui spettro continuo può essere esaminato con speciali spettroscopi dotati di lenti e prismi atti a trasmettere la radiazione infrarossa, e di sensori all'infrarosso che forniscono un segnale elettrico di ampiezza proporzionale all'intensità della radiazione.
Un problema teorico di notevole importanza, verso la fine del secolo XIX, era quello di fornire una legge che riuscisse a rappresentare l'andamento delle curve sperimentali osservate.
Parecchi fisici ,tra i quali Rayleigh, Jeans e Wien svilupparono teorie incomplete, basate sull'elettromagnetismo classico e sulla termodinamica,ma nessuno di loro riuscì a trovare la soluzione teorica completa e definitiva.
Nel 1900 una soluzione innovativa fu fornita dal fisico tedesco Max Planck (Nobel 1918), considerato per questo il padre della teoria dei quanta: Planck ipotizzò per la prima volta la quantizzazione dell'energia elettromagnetica associata agli oscillatori armonici (cariche elettriche dotate di moto oscillatorio armonico) .
In particolare,impostò il calcolo del potere emissivo del corpo nero ad una data temperatura T, considerando l'energia assorbita o emessa da ciascun oscillatore armonico, multipla di una quantità elementare E = h f, essendo f la frequenza dell'onda elettromagnetica emessa o assorbita ed h una costante universale, nota come costante di PlancK.
La sola introduzione di questa ipotesi bastò a Planck per risolvere definitivamente il problema del corpo nero, fornendo le formule in grado di rendere conto delle curve ottenute sperimentalmente.
Furono poste in tal modo le premesse teoriche per lo sviluppo di una nuova fisica, la fisica quantistica.

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