Progetto Scienze

1. STORIA DELLE
ASTROPARTICELLE

2. Una ricerca ininterrotta
• L’emozionante viaggio alla ricerca dei
costituenti ultimi ed indivisibili della materia,
risale al lontano 400 a. C. e che dura ancora
oggi

3. La teoria atomica di Democrito
• Il fondatore della teoria atomica è
stato il filosofo pluralista
«Democrito» nel V secolo a. C.
• Egli vide nella materia un insieme di
particelle dotate di massa, eterne e
incomprimibili, così piccole da
essere indivisibili, capaci di formare
combinazioni variabili per numero,
forma e dimensioni.
• Già si disegnava l'idea della
conservazione di una sostanza
eterna, della discontinuità della
materia e dell'esistenza del vuoto

4. La teoria atomica di John Dalton
• Intorno all’anno 1800 ,l’inglese John Dalton
propose la teoria atomica, secondo cui:
• ogni elemento chimico è costituito da
moltissimi atomi identici, ciascuno dei quali ha
in sé tutte le proprietà dell’elemento.
• Gli atomi sono particelle molto piccole, invisibili
anche al microscopio, con dimensioni
dell’ordine di 10–10 m (un decimo di
milionesimo di millimetro) e prive di carica
elettrica.
• In greco atomo significa «indivisibile»: per
Dalton infatti gli atomi erano i costituenti ultimi
della materia, privi di qualsiasi struttura interna.

5. La scoperta della radiottivita’
• Alla fine dell’Ottocento, i francesi Pierre e Marie Curie
scoprirono che gli atomi di alcuni elementi chimici
possono trasformarsi spontaneamente in atomi di tipo
diverso.
• Tra questi atomi «speciali» c’è il radio, e il fenomeno fu
chiamato radioattività.
• Gli atomi radioattivi emettono corpuscoli chiamati
particelle alfa (se carichi positivamente) o particelle beta
(se carichi negativamente).
• La radioattività quindi dimostra che l’atomo non è
indivisibile, ma contiene particelle più piccole e dotate di
carica elettrica.
• Poiché però complessivamente l’atomo è neutro, al suo
interno devono esserci particelle con cariche elettriche
positive e negative che si compensano a vicenda

6. Il modello atomico «a panettone» di
Joseph John THOMSON
• Nel 1897 il fisico inglese Joseph John
Thomson, facendo esperimenti con i tubi
catodici, aveva scoperto gli elettroni, che
sono particelle più piccole degli atomi,
cariche negativamente e che hanno
proprietà simili alle particelle beta.
• Thomson concluse che l’atomo contiene
elettroni, e propose il primo modello per
la struttura interna dell’atomo: una sorta
di «panettone» sferico, fatto di una
sostanza dotata di carica elettrica
positiva, al cui interno sono distribuiti
«candidi» corrispondenti agli elettroni.

7. • Nel 1900 Marx Planvk quantizza la radiazione
elettromagnetica
• Nel 1905 Albert Einstein applica la scoperta di
Planck e scopre il Fotone

8. Il modello planetario di Rutherford
• Nel 1911 il fisico neozelandese Ernest Rutherford, allievo di Thomson, eseguì un
esperimento destinato a rivoluzionare la conoscenza dell’atomo.
• Utilizzò una sorgente radioattiva come «cannone» per sparare particelle alfa contro
lamine d’oro sottilissime, spesse poche centinaia di atomi.
• Per il modello di Thomson i «proiettili» dovevano subire una piccola deviazione, a
causa della forza elettrica di repulsione tra le particelle alfa e la carica positiva
distribuita negli atomi dell’oro.
• Rutherford scoprì invece con meraviglia che la maggior parte delle particelle alfa
oltrepassava la lamina d’oro senza deviare, ma alcune rimbalzavano come se
avessero colpito un solido impenetrabile. Rutherford scopre il Protone, per cui
propose un nuovo modello dell’atomo:
• * la carica elettrica positiva è concentrata in un nucleo centrale piccolissimo, che ha
un raggio di circa 10-14 m (un centesimo di miliardesimo di millimetro);
• * gli elettroni orbitano intorno al nucleo, a una distanza pari a diecimila volte il
raggio del nucleo stesso.
• Secondo tale modello, in cui gli elettroni orbitano intorno al nucleo come i pianeti
intorno al Sole, gli atomi quindi sono quasi del tutto vuoti.
• Ciò spiega i risultati dell’esperimentodi Rutherford:
-la maggior parte delle particelle alfa passa nello spazio vuoto tra il nucleo e gli
elettroni, e quindi attraversa gli atomi indisturbata;
- in qualche occasione però le particelle colpiscono il nucleo, e allora rimbalzano.

9. Il Modello atomico di Niels Bohr
• Nel modello di Rutherford c’è un problema: il moto degli elettroni è
accelerato, perché la direzione della loro velocità cambia mentre orbitano
intorno al nucleo. Secondo le leggi della fisica tradizionale, una particella
carica accelerata perde energia: gli elettroni perciò cadrebbero sul nucleo
in un tempo brevissimo, e gli atomi sarebbero instabili.
Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr propose allora due nuove ipotesi:
• nell’atomo gli elettroni possono muoversi soltanto su orbite che si trovano a
particolari distanze dal nucleo;
• su ciascun’orbita l’elettrone ha una particolare energia, che resta sempre
costante nonostante il moto sia accelerato.
Nel modello di Bohr il raggio e l’energia delle orbite degli elettroni sono
grandezze quantizzate: invece di variare con continuità, cioè, possono
assumere soltanto alcuni valori.
Per quanto strano possa apparire, questo modello è stato confermato da
moltissimi esperimenti ed è il fondamento della teoria quantistica, la migliore
descrizione che oggi abbiamo del mondo subatomico.
Su di essa, in particolare, si basa il funzionamento di tutte le apparecchiature
elettroniche che usiamo ogni giorno.

10. La materia ordinaria
Ossia quella materia che manipoliamo ogni giorno, in sintesi, è composta da
atomi :
• Ne esistono circa 90 tipi diversi, che differiscono per il numero di protoni.
• Gli atomi, allo stato elementare, sono formati da nuclei che contengono
neutroni (privi di carica) e protoni ( con carica positiva), mentre intorno al
nucleo girano gli elettroni (con carica negativa)che sono tanti quanti sono i
protoni.
• Il numero di protoni presente nel nucleo definisce l’elemento ed è la sua
carta d’identità.
• Il numero di neutroni in un nucleo è circa uguale al numero di protoni ma
può anche essere un poco più grande o un poco più piccolo.
• Il numero di neutroni è l’unica differenza che ci può essere tra un atomo e
un altro di uno stesso elemento (due atomi con uguale numero di protoni
ma non di neutroni si chiamano “isotopi”).

11. La materia « straordinaria»
• Oltre ai protoni, neutroni ed elettroni, esistono altri tipi
di particelle che viaggiano attraverso l’universo a gran
velocità e che posseggono enormi energie.
• Sono le astroparticelle o raggi cosmici:
• Oggi sappiamo che i raggi cosmici che viaggiano nello
spazio sono composti prevalentemente da
• particelle primarie ossia protoni per il 90%, neutrini,
elettroni, nucleoni di varia natura e fotoni ad alta
frequenza.
• Poichè queste particelle hanno tutte una grande energia,
quando collidono con gli atomi che compongono
l'atmosfera, (fatta eccezione per i neutrini che hanno un
bassa interazione con la materia) formano uno sciame di
particelle secondarie che raggiungono il suolo terrestre,
queste particelle sono composte prevalentemente di
elettroni, muoni e pioni.

12. La scoperta delle astroparticelle
Agli inizi del XX secolo, gli scienziati impiegarono
circa un decennio per risolvere l’enigma della
provenienza della radioattività naturale esistente
sulla terra.
Essa fu tra le imprese più emozionanti della storia
della scienza, che portò alla scoperta di quelle
radiazioni allora definite “ raggi cosmici” ma che
oggi sappiamo che, per la maggior parte sono
formate da particelle sub-atomiche, piuttosto che
da radiazioni elettromagnatiche .

13. L’esperimento di Wulf
Nel 1907 Padre Theodore Wulf perfeziona
l’elettrometro, un apparato strumentale stabile,
resistente agli urti e alle vibrazioni, per misurare
la radiazione naturale terrestre.
Era già noto che il segnale dovuto alla
radioattività decresce in modo esponenziale
quando ci si allontana dalla sorgente di
radiazione.
Nel 1910 Padre Wulf prova la strumentazione a
Parigi sulla Tour Eiffel, a 300 metri di distanza al
suolo: a dispetto di quanto atteso, trova che il
segnale diminuisce molto meno del previsto.

14. L’ESPERIMENTO DI PACINI
• Nel giugno 1911 l’idea geniale: confrontare la radioattività alla
superficie del mare con quella misurata sott’acqua (è l’inizio della
fisica sottomarina)
• Se parte della radioattività non viene dalla Terra, dev’essere
assorbita in profondità: sarà quindi minore nelle profondità
marine
• a 3 metri di profondità a Livorno (e poi in ottobre a Bracciano)
Pacini riscontra, in accordo con la sua ipotesi, una riduzione del
20% della radioattività
• Nel febbraio 1912 DOMENCO PACINI scrive sul Nuovo Cimento
che esiste “una sensibile causa ionizzante, con radiazioni
penetranti, indipendente dall’azione diretta delle sostanze
radioattive del terreno.”
– E’ la scoperta dei raggi cosmici.

15. L’esperimento di Victor Hess
• Durante la campagna di voli con palloni aerostatici nel 1912,
Victor Hess trovò inoltre che:
• il segnale di ionizzazione (e quindi l’intensità della radiazione)
aveva valori molto simili sia durante il giorno che durante la
notte, non diminuiva sensibilmente nel caso di eclissi solare
(volo del 12 aprile).
• Pertanto, concluse che :
• il Sole non poteva essere la sorgente primaria della “misteriosa
radiazione”,
• la radiazione dovesse giungere dallo spazio esterno più lontano
del Sole.
• E’ la scoperta della
• “Höhenstrahlung” ossia la “radiazione proveniente dall’alto”
• Victor Hess venne in seguito riconosciuto quale “padre ufficiale
della fisica dei raggi cosmici”
• Nobel Prize 1936

16. La scoperta del POSITRONE :
L’ANTIMATERIA
• Nel 1932, durante questi studi sui raggi cosmici, utilizzando una
camera a nebbia (accoppiata da un forte campo magnetico) e
ponendo al suo interno una lastra di piombo Carl Anderson
osserva tracce di particelle con curvatura opposta a quella lasciata
dagli elettroni (la direzione della traccia è determinata dall’energia
persa dalla particella nell’attraversare la lastra di piombo).
• Nel 1937 gli venne attribuito il Premio Nobel.
• E’ la scoperta del “positrone”” ossia l’antielettrone, la particella
identica all’elettrone ma con carica positiva.
• Inizialmente non fu facile accettare l’esistenza dell’antimateria: i
risultati di Anderson trovarono illustri oppositori ma oggi sappiamo
che ogni particella ha un’anti particella corrispondente.
• Non è solo un problema di carica elettrica opposta, perché quando
una particella e la sua antiparticella si incontrano, si “annichilano”
cioè si distruggono, scompaiono emettendo energia.

17. Enrico Fermi : la scoperta del neutrino
• Uno dei primi e più famosi cacciatori di particelle e antiparticelle è stato il grande
fisico italiano Enrico Fermi, emigrato in America quando, all’epoca del fascismo,
vennero varate le leggi razziali contro gli ebrei.
• Ha vinto il Nobel nel 1938 per i suoi studi sui nuclei atomici: cercava di capire come
mai alcuni di loro emettevano radiazioni e particelle elementari sia
spontaneamente, sia dopo che li avevamo bombardati con dei neutroni.
• i nuclei emettono nuove particelle : il neutrino. E’ il più leggero tra le particelle,
senza carica elettrica, è quasi impossibile vederlo. Quello che si vede sono le tracce
che lasciano passando negli apparecchi sperimentali e queste tracce sono dovute
alle interazioni con le altre. I primi rivelatori di particelle si chiamavano “camere a
nebbia” perché il passaggio di una particella carica faceva condensare la nebbia
contenuta in una scatola proprio lungo la sua traiettoria. Ma una particella
piccolissima e senza carica come il neutrino non interagisce praticamente con
niente: potrebbe tranquillamente attraversare la Terra da parte a parte senza
rivelare la sua presenza.
• Ci si accorge di lui perché mancava dell’energia. Dentro alcuni nuclei atomici
avviene una cosa molto importante, che è anche alla base del funzionamento delle
stelle: un protone si trasforma in neutrone. Nel fare ciò viene emesso un
positrone, ma non basta, perché durante questa reazione scompariva dell’energia,
come se qualcuno se la portasse via.

18. Molte nuove scoperte dai raggi cosmici
• 1937: Il muone, o leptone mu (Neddermeyer+)
• 1947: Il pione (o mesone p), il primo mesone, scoperto da
Lattes, Occhialini & Powell (previsto da Yukawa nel 1935)
• 1947: Il kaone (o mesone K mesone), la prima particella
strana, Rochester & Butler
• 1951: Λ, il primo barione strano (Armenteros+)
• 1954: Violazione della simmetria di parita’ (G-stack, la
prima collaborazione Europea)
– L’Universo visto allo specchio si comporta in un modo differente