Rivelare particelle elementari con una camera a nebbia fatta in casa

Rivelare particelle elementari con una camera a nebbia fatta in casa
22/11/10 15.39
Published in Science in School (http://www.scienceinschool.org)
Rivelare particelle elementari con una camera
a nebbia fatta in casa
Tradotto da Giulio Sinno – Liceo Scientifico L. Mossa - Olbia
La fisica delle particelle è ritenuta materia per i grandi laboratori di
fisica, inaccessible all’uomo della strada. Francisco BarradasSolas e Paloma Alameda-Meléndez ci dimostrano – con l’aiuto di
un rivelatore di particelle artigianale – che si può sfatare questo mito
“dando vita” alla fisica delle particelle elementari rivelandole in
classe.
L’obiettivo della fisica delle particelle elementari è trovare i più
piccoli mattoni con i quali è fatta qualsiasi cosa al mondo e di
studiare il comportamento di questi mattoncini. Sebbene sia un
Raggi alfa vengono emessi
pilastro fondamentale del sapere scientifico, la fisica delle particelle è
spesso trascurata o poco compresa nelle scuole, forse perché essa
da una sorgente di polonio
non sembra avere a che fare con i fenomeni che ci appaiono nella
con traiettorie a forma di
vita quotidiana. Invece, i fisici delle particelle fanno misure e rivelano
fiore al centro di una camera elettroni, fotoni o muoni con la stessa familiarità con la quale
a nebbia. Le particelle
potrebbero contare mucche, tavoli o areoplani. Inoltre i rivelatori di
particelle (come ad esempio gli scanner della PET) sono usati
vengono rese visibili
quotidianamente dai fisici sanitari per scoprire tumori e monitorare le
mediante vapori di alcol che
funzioni degli organi interni.
diffondono da un’area a
temperatura ambiente ad
una a temperatura di –78°C.
Questa foto risale al 1957.
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Immagine di dominio pubblic;
fonte: Wikimedia Commons
Qui mostreremo come è possibile “dare vita” alla fisica delle particelle in classe usando probabilmente il
tipo di rivelatore di particelle più semplice: una camera a nebbia a sensibilità continua. Questa versione
costruita in casa consiste di una semplice vaschetta per pesci sigillata, riempita di aria e vapori di alcol,
raffreddata a temperatura molto bassa, che riesce a rivelare particelle, in particolare muoni da raggi
cosmici particolarmente energetici.
Le particelle elementari
Le particelle elementari sono i costituenti ultimi della materia. Esse non sono proprio come dei mattoni
cementati insieme, ma danno luogo a interazioni reciproche (per maggiori dettagli sulle particelle
elementari si suggerisce Landua & Rau, 2008). Queste particelle sono dotate di energia e quantità di
moto e perciò possono essere “viste” dai rivelatori. In realtà sappiamo che non si possono vedere
direttamente, il loro passaggio attraverso il rivelatore è dedotto dagli effetti che esso causa come, ad
esempio, la ionizzazione nel caso di particelle cariche. Immaginiamo di osservare la scia di
condensazione lasciata da un aereo che non riusciamo a scorgere in cielo: allo stesso modo riusciremo a
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rivelare la particella con la nostra camera a nebbia artigianale.
Camera a nebbia a diffusione a sensibilità continua
Questa camera a nebbia è fondamentalmente un contenitore a
tenuta d’aria riempito con una mistura di aria e vapore d’alcol. L’alcol
liquido evapora da un serbatoio e si diffonde attraverso l’aria della
camera. Raffreddando la base con del ghiaccio secco (ghiaccio di
anidride carbonica che è ad una temperatura costante di –79 °C
mentre sublima) si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo
la verticale. In questo modo si forma sul fondo una zona di vapore
d’alcol sovrasatura. Lo strato sensibile è instabile: ha una quantità di
vapore d’alcol freddo in misura maggiore di quella che può
mantenere. Il processo di condensazione scatta al passaggio della
particella carica con energia sufficiente a ionizzare atomi lungo il suo
Schema di una camera a
cammino. Questi ioni sono i nuclei di condensazione attorno ai quali
nebbia a diffusione continua
le goccioline di liquido formano una scia.
Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas
Istruzioni di realizzazione ed uso
Materiali
Contenitore di vetro o plastica trasparente a pareti dritte (ad esempio un acquario o vaschetta
per pesci) con una base che misuri circa 30 cm x 20 cm, e altezza circa 20 cm (possono essere
usate altre dimensioni ma i risultati possono variare)
Lastra di alluminio (spessa circa 1 mm, come la base dell’acquario)
Un vassoio a fondo basso un po’ più ampio della base della vaschetta
Due lampade o torce elettriche, una di potenza particolarmente alta
Strisce di feltro (larghe circa 3 cm e abbastanza lunghe da poterle attaccare lungo l’interno
dell’acquario, cioè un po’ più di un metro)
Colla (non solubile in alcol)
Nastro isolante nero
Alcol isopropilico
Ghiaccio secco
Montaggio
1. Incollare una striscia di feltro (questa fungerà da serbatoio di alcol) attorno agli spigoli interni sul
fondo dell’acquario. Un po’ di feltro può essere incollato anche sul fondo.
2. Tagliare la lastra di alluminio di dimensioni tali che si adatti alla superficie superiore dell’acquario
e ricoprine una faccia con nastro isolante formando una superficie nera.
3. Inzuppare il feltro con alcol isopropilico (ma non così tanto da
far gocciolare il liquido sul fondo).
Avvertenza: operare in luogo ben areato e ricordare che
l’alcol è infiammabile.
4. Girare sottosopra l’acquario sulla lastra di alluminio. Fare in
modo che la superficie nera sia rivolta verso l’alto (sul fondo
nero le tracce delle particelle saranno visibili più facilmente).
5. Usare nastro adesivo isolante per stringere la lastra di
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alluminio sul bordo dell’acquario, sigillando la camera cosicché
sia a tenuta d’aria. Questa è la fase più critica e tale
operazione deve essere fatta con cura perché la giuntura
diventerà umida e molto fredda durante il funzionamento della
Disegno in sezione della
camera a nebbia.
camera a nebbia. Cliccare
sull’immagine per
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Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas
6. Predisporre uno strato piatto di ghiaccio secco sul vassoio e
poggiare sopra la camera, assicurandosi che la base sia
orizzontale. Per ottenere un contatto termico uniforme tra il
ghiaccio e la lastra metallica evitare di utilizzare pezzi grossi di
ghiaccio: l’uso di lastre o polvere di ghiaccio sarebbe l’ideale,
ma anche ghiaccio secco sotto forma di piccoli grani può
andare bene.
Avvertenza: Dry ice is around –79 ºC and should only be
handled using thick gloves.
7. Mantenere la parte superiore della camera tiepida per esempio
irraggiando luce con una lampada. Evitare di effettuare
l’esperimento in un ambiente freddo perché potrebbe impedire
il formarsi di un appropriato gradiente termico, non
permettendo la visibilità delle tracce.
La camera. Cliccare
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Immagine preparata da Alberto
Izquierdo; Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas
8. Lasciare la camera immobile per circa 10 minuti affinché si
stabilizzi il gradiente di temperatura. Illuminare con una luce
intensa la camera con una direzione a bassa inclinazione. Ad
una prima occhiata dovreste vedere semplicemente una
nebbiolina di alcol che cade, ma gradualmente dovrebbero
apparire le tracce delle particelle cariche come condensazioni
filiformi nella nebbiolina. Nota: le tracce sono più visibili in una
stanza buia.
Tracce della radiazione
ionizzante in una camera a
nebbia (traccia spessa e
corta: particella alfa; traccia
lunga e sottile: particella
beta)
Immagine per gentile
concessione di Bionerd; fonte:
Wikimedia Commons
Sebbene qualsiasi particella carica con sufficiente energia, per
esempio proveniente da un ambiente radioattivo, può lasciare la sua
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scia nella camera, la maggior parte delle tracce saranno prodotte da
raggi cosmici secondari: cioè da quelle particelle create quando altre
particelle (per la maggior parte protoni) arrivando dallo spazio
esterno colpiscono la parte più alta dell'atmosfera. I raggi cosmici
secondari viaggiano a velocità prossime a quella della luce e sono
assorbiti dall’atmosfera o decadono in volo dando luogo a nuove
particelle fra cui i muoni, che possono raggiungere la superficie della
terra e che sono facilmente rivelabili. I muoni sono particelle
elementari cariche molto simili agli elettroni tranne che per la loro
massa che è circa duecento volte maggiore.
Raggi cosmici. Cliccare
sull’immagine per
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Immagine preparata da Alberto
Izquierdo; Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas
Cosa possiamo fare con la camera?
In generale perché la camera sia realmente utile non possiamo limitarci a mostrarla e a descriverne il
suo funzionamento. Per chiarire ulteriormente la spiegazione abbiamo preparato una breve striscia di
vignette w1 (vedi sotto), in cui si vede come funziona la camera e si spiega la composizione dei raggi
cosmici attraverso la storia di un protone cosmico e i suoi discendenti.
Abbiamo usato la camera nelle scuole con studenti dai 12 ai 16 anni
nell’ambito di una iniziativa per fargli comprendere che le particelle
sono oggetti reali. Osservare le scie delle particelle invisibili
paragonandole con le scie lasciate dai jet (c’è molta fisica in comune)
è un primo passo in un processo che continuiamo introducendo dati
reali, foto dalla fisica delle alte energie e domande ed esercizi
standard w2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) e che concludiamo
con un altro dispositivo per utilizzo didattico più complicato: un
rivelatore a scintillazione per raggi cosmici che permette agli
studenti, da soli, di registrare e studiare i dati (Barradas-Solas,
2007).
Cliccare sull’immagine per
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Tratta dalla striscia sulle camere
a nebbia; Immagine per gentile
concessione di Paloma AlamedaMeléndez
Perché non usare il forum di discussione online di Science in School per scambiare idee su come usare la
camera a nebbia a scuola? Vedere: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber
Ringraziamenti
Gli autori desiderano ringraziare la Dott.ssa Eleanor Hayes, redattore capo di Science in School, per la
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sua assistenza nell’aver dato la forma finale all’articolo.
References
Barradas-Solas F (2007) Giving new life to old equipment. Physics Education 42: 9-11. doi:
10.1088/0031-9120/42/1/F03
Per accedere a questa pubblicazione, che è gratuita, visitare il sito dell’Istituto dell’Istruzione tecnica,
Madrid, Spagna (http://palmera.pntic.mec.es) o usare il link diretto: http://tinyurl.com/y8ssyc5
Cid R (2005) Contextualized magnetism in secondary school: learning from the LHC (CERN). Physics
Education 40: 332-338. doi: 10.1088/0031-9120/40/4/002
Cid X, Ramón C (2009) Taking energy to the physics classroom from the Large Hadron Collider at CERN.
Physics Education 44: 78-83. doi: 10.1088/0031-9120/44/1/011
Landua R, Rau M (2008) The LHC: a step closer to the Big Bang. Science in School 10: 26-33.
www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy
Fonti sul web
w1 – Le vignette (in inglese e spagnolo) e le istruzioni di assemblaggio (in spagnolo) sono disponibili sul
nostro sito: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
w2 – Consultare, ad esempio, un introduzione su LHC e semplici calcoli di fisica relativi a qualsiasi
acceleratore di particelle (Physics at LHC) su ‘Taking a closer look at LHC’: http://www.lhc-closer.es
w3 – Il sito del CERN per gli insegnanti di scuola secondaria superiore (http://teachers.web.cern.ch)
comprende una serie di foto di camere a bolle attinente al nostro progetto. Consultare il link diretto:
http://tinyurl.com/yfbv8ls
Fonti
Per una breve e semplice introduzione rivolta a un pubblico generico consultare:
Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University
Press. ISBN: 9780192804341
Un tour interattivo online del Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, ‘The Particle
Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org
Il centro per visitatori virtuali dello SLAC National Accelerator Laboratory (in particolare le
sezioni su teoria, rilevazione e raggi cosmici): www2.slac.stanford.edu/vvc
Il sito web del CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html
Per una discussione su come alcune grandi questioni avranno risposta dal Large Hadron Collider del
CERN consultare:
Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-47.
www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow
Per una introduzione più dettagliata ma accessibile rivolta a persone con una formazione scientifica e
matematica raccomandiamo:
Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of
Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971
Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press.
ISBN: 0691009260
Il testo di Treiman è uno dei migliori per cominciare ad affrontare le sottigliezze della
meccanica quantistica nella fisica delle particelle (che noi abbiamo evitato in questo
articolo) comprese le particelle instabili e virtuali e la relazione campo-particella.
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Per saperne di più sui raggi cosmici, consultare NASA’s Cosmicopia:
http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
Noi e tanti altri hanno imparato sulla realizzazione delle camere a nebbia dal sito di Andy Foland:
www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
Il sito web del Museo Americano di Storia Naturale comprende una versione illustrata delle fasi principali
di assemblaggio delle camere a nebbia:
www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
Non è facile spiegare in dettaglio i processi di sovrasaturazione e la formazione delle scie o giustificare la
scelta del liquido attivo (l’alcol isopropilico nel nostro caso), come essi dipendono in maniera complessa,
per esempio, dalla energia di ionizzazione, dalla pressione di vapore, dalla velocità di diffusione e i vari
aspetti ingegneristici della camera. Se volete approfondire questi argomenti potete consultare la
bibliografia supplementare: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
Un articolo di Science in School descrive come misurare la radioattività del radon in casa:
Budinich M, Vascotto M (2010) The ‘Radon school survey’: measuring radioactivity at
home. Science in School 14: 54-57. www.scienceinschool.org/2010/issue14/radon
Se avete trovato interessante questo articolo o altre attività di insegnamento in questo numero di
Science in School, potreste consultare la nostra raccolta di attività già pubblicate nei numeri precedenti
all’indirizzo: www.scienceinschool.org/teaching
Francisco Barradas-Solas è laureato in fisica e insegna fisica e chimica nella scuola secondaria, sebbene
sia attualmente in congedo lavorando come consigliere scientifico presso l’autorità regionale
dell’istruzione di Madrid in Spagna. Uno dei suoi interessi principali è l’introduzione della fisica delle
particelle nelle scuole e ha preso parte in molti progetti per insegnanti organizzati al CERN.
Paloma Alameda-Meléndez è laureata in chimica e insegna chimica e fisica alla Scuola Secondaria del
comune di El Álamon vicino Madrid.
Recensione
I raggi cosmici sono particelle subatomiche che provengono dallo spazio e collidono con l’atmosfera
terrestre, creando una pioggia di particelle secondarie che possono essere studiate sulla superficie
terrestre. Gli studenti delle scuole secondarie hanno, di solito, soltanto la possibilità di studiare le
particelle elementari leggendo libri o facendo delle simulazioni, nonostante le particelle attraversino
costantemente il loro corpo.
Qui Francisco Barradas-Solas e Paloma Alameda-Meléndez presentano l’idea che le camere a nebbia
possono essere usate dagli studenti come uno strumento sperimentale che permette loro di condurre
studi sulle radiazioni. Essi forniscono inoltre dettagli sulla costruzione di una camera a nebbia,
dispositivo che può essere costruito a scuola senza troppa difficoltà e che permette agli studenti di
rivelare le particelle subatomiche in classe osservando le tracce da esse prodotte.
Vangelis Koltsakis, Grecia
Indicazioni dell'esperto: Fisica, Fisica delle particelle
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Issue 14
Italian
Physics
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Teaching activities
Source URL: http://www.scienceinschool.org/2010/issue14/cloud/italian
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