LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE

Laboratorio di Fisica Nucleare

Prof. E. Maina

Specializzande: Bertolina Lucia

Di Maggio Luisa

Ferrari Trecate Irene

ContestoClasse 5a di liceo scientifico con programma PNI

Tempi6 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 dialogatoLavori 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 adottatoSchede preparate dal docenteLe 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 tipostorico 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:

 

= al fondo del tubo Massa del raggio × (velocità del raggio)2

Deflessione dei raggi Forza sul raggio × L1 × L2

= dovuto ad Massa del raggio × (velocità del raggio)2

 

Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2E

E

= dovuto a Massa del raggio × velocità del raggio

Deflessione dei raggi Carica del raggio × × L1 × L2B

Introducendo un campo elettrico

Introducendo un campo magnetico

B

Deduced

Deduced ratio ofGas in velocity particlecathode- Material Electric Electric Magnetic Magnetic of ray mass ray of field deflection field deflection particles to charge tube cathode (N/C) (m) (Niamp.m) (m) (mlsec) (kgIC)

Air Aluminum

1.5 x 104 0.08 5.5 x 10-4 0.08 2.7 x 107 1.4 x 10-11

Air Aluminum

1.5 x 104 0.095

5.4 x 10-4 0.095 2.8 x 107 1.1 x 10-11

Air Aluminum

1.5 x 104 0.13 6.6 x 10-4 0.13 2.2 x 107 1.2 x 10-11

Hydrogen

Aluminum

1.5 x 104 0.09 6.3 x 10-4 0.09 2.4 x 107 1.6 x 10-11

             

Carbon dioxide

Aluminum

1.5 x 104 0.11 6.9 x 10-4 0.11 2.2 x 107 1.6 x 10-11

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

Calore ½ massa (velocità)2

=

Carica depositata Carica elettrica delle particelle

Rapporto calore – carica elettrica

Gas in cathode Measured ratio Mass x Velocity Deduced Deduced ray tube of heat energy Electric charge velocity mass/charge to charge deposited (Kg M/sec C) (m/sec) ratio (J/C) (Kg/C)  Tube 1:Air 4.6x 103 2.3x 10-4 4x 107 0.57x 10-11

Air 1.8 x 104 3.5 x 10-4 108 0.34x 10-11

Air 6.1x 103 2.3 x 10-4 5.4x 107 0.43x 10-11

Air 2.5 x 104 4.0 x 10-4 1.2x 108 0.32x 10-11

Air 5.5x 103 2.3 x 10-4 4.8x 107 0.48x 10-11

Air 104 2 .85x 10-4 7x 107 0.4x 10-11

Air 104 2.85 x 10-4 7x 107 0.4x 10-11

Hydrogen 6 x 104 2.05x 10-4 6x 107 0.35x 10-11

Hydrogen 2.1 x 104 4.6 x 10-4 9.2x 107 0.5x 10-11

Carbon dioxide 8.4 x 103 2.6 x 10-4 7.5x 107 0.4x 10-11

Carbon dioxide 1.47x 104 3.4 x 10-4 8.5x 107 0.4x 10-11

Carbon dioxide 3 x 104 4.8 x 10-4 1.3x 108 0.39x 10-11

 

LA SCOPERTA DEL NUCLEO

( E. Rutherford)

Esperienza con Geiger e Marsden dello scattering (1911)

I NUMERI ATOMICI

E. Rutherford (1911)

Nuclear charge Z inunits of electron charge

as deduced as knownElement Atomic weigbt by Rutherford todayAluminum 27 22 13Copper 63 42 29Silver 108 78 47Platinum 194 138 78

H. G. Moseley (1913)

Nuclear charge

Element (in units of electron charge) Atomic weight

Calcium 20.00 40.09

Scandium 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

LA SCOPERTA DEL PROTONE

(E. Rutherford)

7N14 + 2He4 8O

17 + 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 Peso atomico raggio

rinculo raggio Peso atomico raggio + Peso atomico nucleo

di = 2 del

Calcolo della massa del neutrone

paraffina

pp

pp

vmmvmv

vmmvmv

'22

'

2

222

neutrone protone

vp

v’

vVp=0

azotop

ppazotoazoto

vv

mvmvm

a partire da:

si ricava: