Titolo del lavoro
LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI:
La forza di attrazione gravitazionale e la forza elettromagnetica
La forza nucleare forte
La forza nucleare debole
Scuola di appartenenza: IPSSAR - PORTO SANT ELPIDIO
Classe 1B Alberghiero: La forza di attrazione gravitazionale e
la forza elettromagnetica
ALUNNI: GERALDO e MARIACHIARA
Classe 1A Alberghiero: La forza nucleare forte
ALUNNI: MONICA, PAOLA, MARTINA, AHMED
Classe 1C Alberghiero: La forza nucleare debole. ALUNNI: da sinistra a destra
MATTEO, ALICE e DEBORA.
Docente: Pierluigi Stroppa, tutor ISS
presidio di Fermo
1
PREMESSA: la valorizzazione delle eccellenze
Questo lavoro è stato realizzato insieme ad alcuni alunni delle classi prime dell‟istituto
professionale alberghiero. Sono stati scelti, secondo il principio della “valorizzazione delle
eccellenze”, alunni affidabili e volenterosi, chiedendo loro dei sacrifici che, in queste due
ultime settimane, sono stati notevoli…. un ringraziamento particolare va alle loro famiglie!
Ad ogni gruppo è stato assegnato lo studio di una o più forze fondamentali; infatti gli
alunni del 1B alberghiero hanno esaminato le forze di attrazione gravitazionale e quella
elettromagnetica, quelli della classe 1A alberghiero hanno studiato la forza nucleare forte e
quelli della 1C la forza nucleare debole. Date le numerose “interazioni” tra le forze stesse, è
stato necessario lavorare insieme.
AMBIENTI E TEMPI DI LAVORO
I luoghi in cui si è eseguito il lavoro sono stati l‟aula insegnanti e il laboratorio di scienze. La
prima perché in essa ci sono quattro postazioni con computer ed internet, ottima quindi per le
ricerche in rete di informazioni inerenti l‟LHC e le 4 forze fondamentali; il secondo per
l‟esecuzione di esperimenti e la costruzione di modelli (riportati nelle fotografie).
Per quello che concerne i tempi, gli incontri si sono intensificati nelle ultime due settimane,
costringendo il sottoscritto (con entusiasmo!) a rientrare tre o quattro pomeriggi di seguito per
lavorare con gli alunni.
MODALITÀ DI LAVORO
Dopo una iniziale raccolta di dati si è cominciato a distribuire delle dispense agli alunni, anche
in lingua inglese, per stimolarli ad affrontare la tematica in studio. I ragazzi hanno ben
risposto agli stimoli eseguendo in tempi rapidi la traduzione dall‟inglese all‟italiano di un
articolo in inglese, probabilmente aiutandosi con strumenti informatici (W la rete!).
Per non perdere il filo del discorso, durante le lezioni curriculari è stato necessario accennare
alle forze fondamentali e ai loro effetti sul mondo che ci circonda.
Le ultime tre settimane sono state di fuoco: gli alunni hanno partecipato a molti incontri
pomeridiani a scuola per preparare il lavoro in oggetto e le presentazioni in microsoft power
point. È importante sottolineare che nessuno si è lamentato!
2
COSA C’ENTRANO GLI ESPERIMENTI DELL’LHC COL PROGRAMMA SVOLTO?
Non è stato difficile trovare degli agganci dell‟argomento da trattare col programma svolto:
avevamo già studiato la forza di attrazione gravitazionale di Newton nella geografia
astronomica (dopo le Leggi di Keplero);
la forza elettromagnetica l‟avevamo trattata per spiegare il campo magnetico terrestre
(ipotesi B della genesi del Campo Magnetico Terrestre: correnti elettriche ferrifere nel
nucleo esterno generano le linee di forza del campo magnetico terrestre….).
Approfondirla è servito per spiegare la struttura dell‟atomo e le proprietà magnetiche di
alcuni minerali;
Senza nemmeno saperlo avevamo già trattato la forza nucleare debole parlando della
fusione termonucleare nel Sole (i protoni che si trasformano in neutroni…) e della
radioattività;
Rimaneva da spiegare la forza nucleare forte, un problema che si è rivelato semplice
da risolvere, visto che ora molti alunni chiedono di poter iniziare le verifiche orali
proprio disegnando alla lavagna l‟interno dei protoni e dei neutroni calcolandone anche
la carica!
Inoltre per i ragazzi non è stato difficile comprendere che nell‟LHC è stata raggiunta la
temperatura più bassa dell‟universo, visto che conoscono quella del rumore di fondo
(presentato in precedenza come una delle prove della teoria del Big Bang).
Infine la conoscenza dei neutrini (se hanno massa e quanto ne hanno) potrebbe
spiegare, data la loro abbondante quantità nell‟universo, una parte della materia
oscura. Di quest‟ultima si è parlato a conclusione della discussione sulla geometria e
sul destino dell‟universo: se la densità di esso supera un certo valore critico, la forza di
attrazione gravitazionale avrà la meglio sull‟espansione dell‟universo riportando
indietro le galassie in un unico punto, causando il big crunch e forse un altro big bang
(universo oscillante = universo chiuso)
3
OBIETTIVI DELL’ESPERIMENTO LHC
a) Diffondere l‟interesse per la scienza (che è anche il nostro interesse)
b) Far conoscere le 4 forze fondamentali;
c) Far saper distinguere tra loro le diverse forze fondamentali;
d) Far conoscere la fisica delle particelle elementari;
e) Far conoscere alla popolazione mondiale a che serve l‟acceleratore di Ginevra;
f) Catturare nei rilevatori ATLAS e Cms una singola particella elusiva (bosone di
Higgs), la cui esistenza, se venisse dimostrata riempirebbe un vuoto gigantesco
nella nostra conoscenza dell‟ Universo;
g) Verificare la validità del Modello Standard;
h) Scoprire l‟ origine della massa dei barioni (cioè dei protoni e dei neutroni);
i) Scoprire le particelle che costituiscono la materia oscura;
j) Scoprire evidenze sull‟energia oscura;
k) creare nuove particelle;
l) Scoprire se esistono altre dimensioni;
m) Conoscere con maggiori dettagli oggetti già noti (per esempio i protoni e i
quark);
n) Cercare di ottenere nel rilevatore ALICE il Quark Gluon Plasma (QCG), uno
stato della materia esistito subito dopo il big bang;
o) Studiare, tramite l‟Lhc-b, come si sia creata l‟asimmetria tra materia e
antimateria.
4
FUNZIONAMENTO DELL’LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore di particelle situato presso il CERN
di Ginevra. È il più grande e potente finora realizzato. È posto a 100 m di profondità
sotto il confine franco-svizzero.
L‟ acceleratore è costituito da due anelli intrecciati ed è installato all‟interno dello
stesso tunnel circolare lungo 27 km già utilizzato per il Lep (Large Electron Positron
Ubicazione
dell‟LHC.
Tratta da
“asimmetrie”
INFN.
collider), il precedente collisore CERN, che ha smesso di funzionare nel novembre del
2000.
Diversamente da quanto accadeva nel Lep, in cui venivano accelerati e fatti
scontrare elettroni e antielettroni, le reazioni osservate in LHC saranno il frutto di urti
tra particelle molto più pesanti, gli adroni (particelle composte da quark come i protoni
e i neutroni), accelerati a velocità vicine alla velocità della luce.
Insieme all‟acceleratore entreranno in funzione i quattro rivelatori di particelle degli
esperimenti Atlas, Cms, Alice e Lhc-b, destinati allo studio delle reazioni che si
produrranno lungo l‟anello.
5
COSA C’È NEL CERN
ACCELERATORI: potenti macchine che accelerano le particelle ad energie
estremamente elevate e le portano in collisione con altre particelle;
RIVELATORI: strumenti giganteschi per registrare le particelle prodotte mentre escono
dal punto di collisione; i rivelatori sostituiscono l‟occhio umano, per “vedere” particelle
e radiazioni di alta energia. Sono anche loro sistemi grandi e complessi, dotati di
elettronica ottica e meccanica di precisione e di migliaia di computer. I rivelatori sono:
ATLAS (A Toroidal LCH Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb, ALICE (A
Large Ion Collider Experiment).
LHCb è stato progettato per studiare la fisica dei mesoni B, mentre ALICE è
ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti; ATLAS e Cms per catturare
una singola particella elusiva (bosone di Higgs).
COMPUTERS: per raccogliere, immagazzinare, distribuire ed analizzare la grande
quantità di dati prodotti dai rivelatori;
GENTE: solo una collaborazione mondiale di migliaia di scienziati, ingegneri, tecnici e
staff di supporto può progettare, costruire e mettere in funzione queste complicate
“macchine”.
ALTRI GRANDI NUMERI
L‟LHC è costituito da 9.300 magneti superconduttori,
raffreddati a -271.3° C (Ansaldo di Genova). Di questi 1.232
sono magneti di dipolo e hanno il compito di curvare il
fascio lungo l‟anello, mentre oltre 400 magneti di
quadrupolo mantengono il fascio ben localizzato. I dipoli
seguono l‟evoluzione del fascio generando campi magnetici
che, per curvare la traiettoria di particelle sempre più veloci,
devono essere sempre più elevati..al momento delle
collisioni, quando i protoni hanno ormai velocità
relativistiche (cioè prossime a quelle della luce), il campo
magnetico dei dipoli supera gli 8 tesla ed è quindi circa 200
mila volte più intenso del campo magnetico terrestre! Per
Con un magnete possiamo
creare un campo
magnetico più intenso di
quello terrestre.
6
ottenere simili prestazioni i magneti superconduttori lavorano a temperature
bassissime: 1,9 Kelvin (circa -271°C): i dipoli e i quadrupoli sono gli oggetti più freddi
dell‟universo!
La pressione all‟interno del tubo dell‟acceleratore è di 10-13 atm (1 decimo che
sulla luna).
Ogni esperimento di LHC riempirà di dati l‟equivalente di 100 milioni di DVD ogni
anno.
Il Costo è di 6 miliardi di euro (pagato in circa 10 anni dagli stati membri del CERN
su budget normale, senza richiesta di sovvenzioni speciali).
COSA ACCADE NELL’LHC? SI SPARANO PROIETTILI DI PROTONI
La sfida di LHC è vedere per la prima volta, grazie all‟enorme energia con cui fa
scontrare fra loro gruppi di protoni, il bosone di Higgs, la particella in grado di spiegare
come mai esiste la massa.
I protoni raggiungono velocità altissime: il 99.9997828% della velocità della luce!
I fasci di protoni si incrociano 40 milioni di volte al secondo.
A ogni incrocio, avvengono in media 20 collisioni protone-protone per un totale
di 800 milioni di collisioni per secondo.
Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni 10.000.000.000.000 di
collisioni,quindi non più di una volta al giorno.
Si misurano le energie, le direzioni e le identità di questi prodotti il più
precisamente possibile, grazie ai rilevatori.
Le collisioni dovrebbero essere “testa
a testa” fra coppie di particelle in
movimento: in questo modo più energia si
può trasformare in massa (dalla formula E
= mc2).
Curiosità: per la sua capacità di indagare
nel mondo subnucleare l‟LHC è anche
considerato un super-microscopio.
Creazione di quark dalla collisione di un
protone con un antiprotone. Foto CERN da
“a brief history of time” di Stephen Hawking
7
CRONISTORIA DEGLI ESPERIMENTI ALL’LHC
L‟ entrata in funzione del complesso è avvenuta il 10 settembre 2008. Il 19 settembre
2008 le operazioni furono fermate a causa di una seria rottura tra due bande
magnetiche. L‟LHC ha ripreso la sua attività il 21 novembre 2009.
Il 21 novembre 2009 l‟ LHC è stato riacceso a un‟energia di 2,36 TeV per fascio e nel
30 dicembre 2009 si raggiunsero i livelli di energia più elevati (nuovo record
mondiale).
PREVISIONI FUTURE
L‟enorme energia che si svilupperà nella collisione lascia prevedere la formazione di
moltissime particelle, dalle quali sarà possibile studiare le caratteristiche e i
meccanismi di interazione: alcuni di esse sono già note, mentre altre non sono mai
state osservate direttamente. Si prevede che in LHC sarà sviluppata un‟energia di
collisione di 14 teraelettronvolt, 10.000 miliardi di volte superiore all‟energia dei fotoni
emessi da una comune lampadina!
COME OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)
Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come proiettili degli ioni (nuclei privi di
elettroni) pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e
gluoni). Ad esempio il Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni.
Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così
creare una zona “calda” e “densa” nella quale vengono riprodotti i valori di
temperatura necessari per formare il QGP.
In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal
collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.
Si dovrà raggiungere la temperatura di duemila miliardi di gradi (100.000 volte la
temperatura all‟ interno del sole!).
PROBLEMI Tecnici:
*Un‟interazione PbPb all‟energia di LHC produrrà migliaia di particelle
*Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno
identificare e realizzare tali particelle
8
PROBLEMI Concettuali
* Il QGP ha una “vita” effimera; durante questa breve vita si verificano dei processi di
espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle
“ordinarie” (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni
reciproche, “ volano” verso i rivelatori.
* Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni
del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci
dell‟avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.
RICADUTE TECNOLOGICHE
a) Gli esperimenti produrranno circa 15 milioni di Gigabytes di dati per anno (circa 5
milioni di DVD). Nel 1988 un hard disk che poteva immagazzinare un gigabyte di
memoria costava l‟equivalente di 15.000 euro, oggi costa solo 30 centesimi di euro.
b) L „analisi dati per l‟LHC richiede una potenza di calcolo equivalente a circa 100.000
dei più veloci PC oggi esistenti.
c) Così come il world wide web (cioè il “www” degli indirizzi internet inventato al
CERN) provvede accesso continuo a informazioni immagazzinate in molti milioni di
differenti locazioni geografiche, saranno forse create nuove tecnologie informatiche
proprio per immagazzinare e analizzare l‟enorme mole di dati degli esperimenti.
d) Grazie alla ricerca sugli acceleratori di particelle è possibile comprendere come
sono state realizzate opere d‟arte, qual è la loro età precisa, o svolgere indagini
storiche su reperti importanti sacrificandone solo una parte microscopica. In questo
modo si sono datate due delle tonache di San Francesco conservate in Italia.
e) La Grid è una infrastruttura che provvede accesso ininterrotto a potenza di calcolo e
capacità di data storage distribuita nel globo.
Applicazioni in campo medico Con la radioterapia si possono trattare i tumori
curabili, che sono all‟incirca il 45% dei casi, tra di questi il 5% vengono curati con
chemioterapia e trattamenti simili, il 40% con chirurgia (22%) e radioterapia (18%).
Per la ricerca applicata è anche prevista la messa in funzione di un acceleratore di
protoni di alta intensità e bassa energia con cui realizzare fasci di neutroni.
9
Irraggiando un bersaglio di berillio o di litio si produrranno fino a 100 mila miliardi di
neutroni al secondo, che saranno utilizzati per studi applicativi nel campo dei
materiali, dell‟astrofisica e della medicina.
Una applicazione importante nel campo medico è lo studio della BNCT (Boron
Neutron Capture Theraphy) per la cura dei tumori diffusi.
Il metodo è basato sulla capacità del Boro di catturare neutroni termici a decadere
in un nucleo di litio e uno di elio.
L‟irraggiamento del paziente con neutroni termici provoca la rottura del 10B che si
comporta come una “micro-bomba” distruggendo in modo selettivo solo le cellule
tumorali:
BNCT, Boron Neutron Capture
Theraphy. Tratta da INFN.
Questa tecnica fa uso di neutroni “termalizzati” che nel nostro caso avranno un
flusso di un miliardo di neutroni al secondo per centimetro quadrato.
Un‟altra applicazione è l‟identificazione dei tumori e delle metastasi all‟interno del
corpo umano,mediante il radiotracciante F-FDG (F-FluoroDesossiGlucosio). Infatti,
Il F-FDG segue il percorso del glucosio all‟interno del corpo umano, quindi si
accumula nelle cellule a più elevato metabolismo, come le cellule tumorali. Questo
permette di ricostruire un‟immagine quantitativa e tridimensionale delle zone
tumorali, che offre la possibilità di una diagnosi oncologica più accurata e di elevato
valore prognostico.
10
LA FORZA DI ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE (Fag o Fg)
La forza gravitazionale è UNIVERSALE, cioè tutti i corpi celesti ne
sentono la presenza. Essa è la più debole delle 4 forze, non si
riconoscerebbe se non avesse le 2 proprietà che la caratterizzano:
agisce a grandi distanze ed è sempre attrattiva.
Nonostante sia la più debole i suoi effetti sono a noi molto
evidenti: ci mantiene con i piedi per terra e fa ruotare i nostro
pianeta intorno alla stella Sole. Come mai? Perché sia noi che i
corpi celesti sono complessivamente dei corpi neutri, cioè siamo fatti da
un
numero uguale di cariche positive e negative. Per questo non sentiamo gli effetti della
forza elettromagnetica.
La forza gravitazionale è veicolata dalla particella GRAVITONE che non contiene
massa ma possiede un grande raggio di azione.
Uno degli obiettivi degli esperimenti è quello di individuare il gravitone.
La legge di gravitazione universale
Nel libro Philosophiae naturalis Principia Mathematica del1687, Isaac Newton enunciò
la legge di gravitazione universale:
“Due corpi rispettivamente di massa m1 ed m2,si attraggono con una forza di intensità
direttamente proporzionale al prodotto delle masse ed inversamente proporzionale al
quadrato della distanza che si separa. Tale forza ha la direzione parallela alla retta
congiungente i baricentri dei corpi considerati”
F=G
m1 x m 2
d2
•F= forza di attrazione gravitazionale tra m1 e m2
•G= costante di gravitazione universale = 6,67 10-11 N m2 kg-2
• m1, m2= masse dei corpi
• d = distanza tra le due masse
11
PERCHÉ I PIANETI NON CADONO SUL SOLE?
Perché i pianeti e il Sole ruotano intorno al baricentro del sistema
Effetto gravitazionale del
Sole sui pianeti nel
sistema solare.
Essendo il Sole molto più massiccio di un pianeta il
baricentro cade sotto la superficie
del Sole e pianeti ruotano intorno alla stella per non
cadervi dentro.
Einstein dimostrò che i corpi massicci come le stelle
curvano lo spazio intorno loro,
spiegando le anomalie orbitali del pianeta Mercurio.
Albert Einstein: i corpi massicci piegano lo spazio …
…. e deviano anche i raggi della luce proveniente da
Effetto gravitazionale del Sole sul
pianeta Mercurio. Tratta da “Einstein
e le macchine del tempo”
altre stelle (verificato da sir Arthur Eddington
nella famosa eclisse del 1919)
o da lontane galassie (lenti gravitazionali):
Ma a volte la forza di attrazione gravitazionale può essere dannosa:
La forza di gravitazione!!
12
LA FORZA ELETTROMAGNETICA (Fem)
È la forza che si esplica tra particelle cariche, come
gli elettroni e i protoni. È più intensa della forza di
attrazione gravitazionale: la forza elettromagnetica tra
due elettroni è circa un milione di milioni di milioni di
milioni di milioni di milioni di milioni volte più grande
della forza gravitazionale.
Fem > 1042 Fg
Sebbene a grande scala corpi come la Terra o il Sole
Elettroni che ruotano intorno
al nucleo
contengano più o meno lo stesso numero di cariche
positive e negative e quindi domini la Fg, a piccola scala (come negli atomi) la Fem si
fa sentire: essa fa ruotare l‟elettrone negativo intorno al nucleo positivo (a causa dei
protoni in esso contenuti), un po‟ come la Fg fa ruotare i pianeti intorno al Sole.
La Fem è veicolata dai FOTONI, particelle senza massa. Sono queste che
compongono la luce!
Un altro esempio della forza elettromagnetica è il campo magnetico Terrestre.
Sopra: confronto tra le forze di
Dal quaderno di Geraldo, 1b
alberghiero in
www.pierluigistroppa.altervista.org
attrazione gravitazionale e quella
elettromagnetica.
13
IPOTESI PER L’ORIGINE DEL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE (CMT)
In classe abbiamo studiato due ipotesi per l‟origine del CAMPO MAGNETICO
TERRESTRE (CMT): l‟ipotesi A e l‟ipotesi B.
nell‟ipotesi A il CMT si pensa dovuto all‟esistenza di una barra solida magnetica
all‟interno del nucleo terrestre. Tale ipotesi non può essere valida perché le alte
temperature presenti nel nucleo terrestre (oltre 5.000°C) fonderebbero la barra
stessa, la cui temperatura di fusione dovrebbe essere di circa 700°C;
l‟ipotesi B prevede invece l‟esistenza di correnti elettriche ferrifere nel nucleo
esterno (fluido); tali correnti creerebbero le linee di forza del CMT che uscendo dal
polo sud magnetico e rientrando al polo nord magnetico, orientano l‟ago della
bussola verso nord.
Le figure sono tratte dal sito www.pierluigistroppa.altervista.org
IMPORTANZA DEL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Il CMT è indispensabile per la vita del pianeta perché ci protegge dal vento
solare e dai raggi cosmici;
indirettamente protegge anche l‟atmosfera (forse l’atmosfera del pianeta Marte
venne spazzata via dal vento solare milioni o miliardi di anni fa, proprio perché
Marte ha un Campo magnetico più debole del nostro);
aiuta noi e altri animali nell‟orientamento.
14
Prima di parlare delle forze nucleari deboli e forti dobbiamo accennare a:
IL MODELLO STANDARD E LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELLA MATERIA
Nel modello standard le particelle fondamentali sono raggruppate in due categorie:
Le particelle costituenti la materia, che risultano essere tutti fermioni, ovvero i
quark ed i leptoni, questi ultimi comprendono i leptoni carichi ed i neutrini.
Le particelle mediatrici delle forze, che risultano essere tutte bosoni.
TUTTA LA MATERIA ORDINARIA che osserviamo nel mondo macroscopico è
costituita da quark e leptoni: infatti è costituita da atomi che sono a loro volta
composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi.
Il nucleo è costituito a
sua volta da protoni e
neutroni che sono
composti ciascuno da tre
quark. I fermioni del
modello standard sono
raggruppati in tre
famiglie, sia per i leptoni
che per i quark. Le tre
famiglie di leptoni,
comprendono ciascuna
una particella carica
(rispettivamente
elettrone, muone e tau) ed un corrispondente neutrino.
Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica +2/3 ed uno di carica 1/3. I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud
formano il protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre combinati secondo lo schema
udd formano il neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).
Le particelle della seconda e terza famiglia esistevano subito dopo il
Big Bang. Ora si trovano solo nei raggi cosmici e vengono prodotte negli acceleratori
di particelle.
15
LA FORZA NUCLEARE “DEBOLE” (Fnd)
- Responsabile della radioattività e della fusione termonucleare, in quanto causa la
trasformazione dei protoni in neutroni e viceversa;
- Agisce sulle particelle subatomiche (protoni e neutroni);
- non agisce sui fotoni e sui gravitoni;
N.B. Nel 1967 la FND fu unificata con la FEM formando la forza elettrodebole.
La Fnd permette la trasformazione di un quark up in quark down, causando la
trasformazione di un protone in un neutrone! Le palline pulite sono i quark up, quelle
sporche sono i quark down.
Ogni tipo di interazione ha un ruolo preciso nell‟economia dell‟Universo,ma le
interazioni deboli sono molto diverse dalle altre. Infatti, mentre gli altri tipi di
interazioni, cioè le gravitazionali,le elettromagnetiche e le forti, si manifestano
soprattutto come forze di attrazione e repulsione tra le particelle, la specialità delle
interazioni deboli è quella di trasformare una particella in un’altra (vedi figura
sopra).
Curiosità: nel dicembre del 1933 apparve su “la ricerca scientifica” (la rivista del
Consiglio Nazionale delle Ricerche) un articolo di Enrico Fermi dal titolo “tentativo di
una teoria dell‟emissione dei raggi beta”.
16
Di seguito sono riportati i due fenomeni studiati in classe causati dalla forza nucleare
debole: la fusione termonucleare e la radioattività.
LA FUSIONE TERMONUCLEARE
Il disegno è uno schema semplificato di quello che avviene nella fusione
termonucleare; in realtà il processo è più complesso.
Dal quaderno di Irina Matei, 1b
alberghiero in
www.pierluigistroppa.altervista.org
La fusione termonucleare è la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre
stelle, con produzione di un‟enorme quantità di energia.
Nella reazione di fusione nuclei di elementi leggeri, quali quelli dell‟idrogeno, a
temperature e pressioni elevate, fondono formando nuclei di elementi più pesanti,
come quelli dell‟elio.
In realtà la reazione è più complessa (vedi figura sottostante). Sono noti tre isotopi
dell‟idrogeno: l‟idrogeno propriamente detto (H), il deuterio (D) e il trizio (T). Il nucleo di
tutti e tre contiene un protone, il che li caratterizza come forme dell‟elemento idrogeno;
il nucleo di deuterio contiene inoltre un neutrone mentre quello del trizio due neutroni.
Figura tratta dall‟enciclopedia
multimediale wikipedia
17
LA RADIOATTIVITÀ
La maggior parte del flusso di calore interno terrestre(FCIT) è causato dalla
liberazione di energia nucleare che si trasforma in calore con la radioattività; l‟uranio
235 ogni 713 milioni di anni (tempo di dimezzamento) si trasforma in piombo-207
lasciando un avanzo di massa (Δm) pari a 28 unità di massa atomica. A causa della
formula di Einstein l‟avanzo di massa (Δm) si trasforma in ΔE sviluppando calore.
Schema semplificato della radioattività, tratto da scienze della Terra di A.Zullini e U.Scaioni
Schema della radioattività, tratto da wikipedia
18
LA FORZA NUCLEARE FORTE
• Agisce nel nucleo dell‟ atomo, all‟interno dei protoni e dei neutroni
• Ha la proprietà del confinamento, cioè in ogni nucleo ci sono tre Quark
• È veicolata dai gluoni (dall‟inglese glue che significa colla) che tengono insieme i
Quark dentro i protoni e i neutroni
• Senza di essa i protoni non riuscirebbero a stare nel nucleo! Infatti, a causa della
Fem si respingerebbero. È per tale motivo che questa interazione è stata chiamata
“forte”! quindi la Fnf è più intensa (almeno alle distanze subatomiche) della Fem.
Le figure sono tratte dall‟enciclopedia
multimediale wikipedia. A sinistra la
struttura di un protone, a destra
quella di un neutrone
Curiosità: Il QUARKSCOPIO è uno strumento fabbricato dall‟ AMA (associazione
marchigiana astrofili di Ancona). Con esso si possono vedere i quark che sono nei
protoni e nei neutroni, ma
anche quelli presenti nelle
corrispondenti particelle di
antimateria (antineutrone e
antiprotone), particelle la
cui vita (per fortuna nostra)
è breve… ma se
incontrassimo un nostro
sosia fatto di antimateria
(cioè di antiprotoni,
antineutroni e antielettroni)
faremmo bene a non
Il quarkscopio, costruito dall‟AMA (Associazione Marchigiana Astrofili)
stringergli la mano: ci annichileremmo istantaneamente se lo facessimo!
19
BIBLIOGRAFIA
• Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla
• Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione
delle forze” ed. Mondadori
• Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the
future” lingue Zanichelli
• Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album
cacciatori di neutrini. A cura dell‟INFN
• Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia
oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell‟INFN
• Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno
4 n°9-settembre 2009. A cura dell‟INFN
• Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana
“asimmetrie” anno 3 n°7-ottobre 2008. A cura dell‟INFN
• Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana
“asimmetrie” anno 2 n°3 - dicembre 2006. A cura dell‟INFN
• A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS
• Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e
della tecnologia”
• Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto”
• Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes”
• F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai
legami chimici”.
• Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza.
SITOGRAFIA
• www.wikipedia
• www.pierluigistroppa.altervista.org
• www.infn.it
• www.asimmetrie.it
• www.cern
20
