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I rivelatori
Osservare il microcosmo
EEE- Cosmic Box
proff.: M.Cottino, P.Porta
“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 1625-1665.
• Micrographia (1665) di R.Hooke:
pulci, mosche, formiche ….
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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).
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• 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 (10-9m)
• Permettono di
distinguere le
molecole.
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• 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.
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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
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La diffrazione
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Le particelle dei raggi cosmici hanno dimensioni
dell’ordine dei 10-15 m.
Come le abbiamo scoperte ?
Con i rivelatori
di particelle
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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 che agisce come
una forza centripeta)
• Il raggio di curvatura è
inversamente proporzionale alla
carica elettrica e al campo
magnetico e direttamente
proporzionale alla quantitá di
moto. (R= mv/qB)
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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
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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.
+
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E
d.d.p. 5V
E=ΔV/d
h
+
-
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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.
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Interazione di particelle cariche con la materia
•Avviene attraverso la cessione di energia dalla particella
incidente alla materia mediante due meccanismi:
•Ionizzazione:
Un elettrone atomico
viene strappato dall’atomo
e si crea una coppia
Ione-elettrone
•Eccitazione:
Un elettrone atomico viene
portato ad un livello energetico
eccitato e poi ritorna al livello
Energetico fondamentale con
emissione di un fotone
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• 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
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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.
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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.
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Contatori a scintillazione
• Si chiamano scintillatori i
materiali capaci di
emettere luce in quantità
proporzionale all’energia
liberata da una particella
ionizzante.
• Il fenomeno della
Scintillazione è causato
dalla eccitazione e
successiva diseccitazione
degli atomi dei materiali
scintillanti.
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• Esistono vari tipi di materiali scintillanti:
- cristalli
- materiali plastici
• 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.
• Attualmente al posto dei fotomoltiplicatori si
utilizzano particolari array di fotodiodi
scintillatore
guida di luce
fotomoltiplicatore
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all’elettronica per
l’analisi del segnale