LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE
Laboratorio di Fisica Nucleare
Prof. E. Maina
Specializzande: Bertolina Lucia
Di Maggio Luisa
Ferrari Trecate Irene
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.
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
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.
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
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
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:
Deflessione dei raggi
al fondo del tubo
=
Forza sul raggio × L1 × L2
Massa del raggio × (velocità del raggio)2
Introducendo un campo elettrico
Carica del raggio × E × L1 × L2
Deflessione dei raggi
dovuto ad E
=
Massa del raggio × (velocità del raggio)2
Introducendo un campo magnetico
Carica del raggio × B × L1 × L2
Deflessione dei raggi
=
dovuto a B
Massa del raggio ×
velocità del raggio
Deduced
Deduced
ratio of
Gas in
particle
cathodemass
Air
ray
tube
(kgIC)
velocity
Material
Electric
104
Electric
0.08
Magnetic
Air
Aluminu
m
1.5 x 104
0.09
5
5.4 x 10-4
0.095
2.8 x 107
1.1 x 10-11
Air
Aluminu
m
1.5 x 104
0.13
6.6 x 10-4
0.13
2.2 x 107
1.2 x 10-11
Hydrog
en
Aluminu
m
1.5 x 104
0.09
6.3 x 10-4
0.09
2.4 x 107
1.6 x 10-11
Carbon
dioxide
Aluminu
m
1.5 x 104
0.11
6.9 x 10-4
0.11
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
cathode
(m)
(N/C)
field
2.7 x
1.4 x 10-11
1.5 x
deflection
0.08
of ray
107
Aluminu
mof
field
5.5 x
Magnetic
10-4
deflection
(Niamp.m)
particles
(m)
2.2 x 107
to charge
(mlsec)
1.6 x 10-11
Rapporto calore – carica elettrica
Calore
Carica depositata
Gas in cathode
ray tube
Tube 1:
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Hydrogen
Hydrogen
Carbon dioxide
Carbon dioxide
Carbon dioxide
=
½ massa (velocità)2
Carica elettrica delle particelle
Measured ratio
of heat energy
to charge deposited
(J/C)
4.6x 103
1.8 x 104
6.1x 103
2.5 x 104
5.5x 103
104
104
6 x 104
2.1 x 104
8.4 x 103
1.47x 104
3 x 104
Mass x Velocity
Electric charge
(Kg M/sec C)
2.3x 10-4
3.5 x 10-4
2.3 x 10-4
4.0 x 10-4
2.3 x 10-4
2 .85x 10-4
2.85 x 10-4
2.05x 10-4
4.6 x 10-4
2.6 x 10-4
3.4 x 10-4
4.8 x 10-4
Deduced
velocity
(m/sec)
4x 107
108
5.4x 107
1.2x 108
4.8x 107
7x 107
7x 107
6x 107
9.2x 107
7.5x 107
8.5x 107
1.3x 108
Deduced
mass/charge
ratio
(Kg/C)
0.57x 10-11
0.34x 10-11
0.43x 10-11
0.32x 10-11
0.48x 10-11
0.4x 10-11
0.4x 10-11
0.35x 10-11
0.5x 10-11
0.4x 10-11
0.4x 10-11
0.39x 10-11
LA SCOPERTA DEL NUCLEO
( E. Rutherford)
Esperienza con Geiger e Marsden dello scattering (1911)
I NUMERI ATOMICI
E. Rutherford (1911)
Element
Aluminum
Copper
Silver
Platinum
Atomic weigbt
27
63
108
194
Nuclear charge Z in
units of electron charge
as deduced
as known
by Rutherford today
22
13
42
29
78
47
138
78
H. G. Moseley (1913)
Nuclear charge
Element
Calcium
(in units of electron charge)
Atomic weight
20.00
40.09
not measured
44.1
Titanium
21.99
48.1
Vanadium
22.96
51.06
Chromium
23.98
52.0
Manganese
24.99
54.93
Iron
25.99
55.85
Cobalt
27.00
58.97
Nickel
28.04
58.68
Copper
29.01
63.57
Zinc
30.01
65.37
Scandium
LA SCOPERTA DEL PROTONE
(E. Rutherford)
7N
14
+ 2He4 8O17 + 1H1
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
J. Chadwick (1932)
Velocità
Velocità iniziale
di
=2
del
rinculo
raggio
Peso atomico raggio
Peso atomico raggio + Peso atomico nucleo
Calcolo della massa del neutrone
paraffina
neutrone
protone
v’
vp
Vp=0
v
a partire da:
mv 2
mv' 2
mpvp
2
2
mv mv' m p v p
si ricava:
m
2
2
vazotomazoto v p m p
v p vazoto
