Ma insomma! Di cosa sono fatti questi atomi in deﬁnitiva? E chi ce lo assicura?

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Ma insomma! Di cosa sono fatti questi atomi in

definitiva?

E chi ce lo assicura?

Eugenio Paoloni prova a convincervi (parteII)

(seconda lezione del corso di Fisica Superiore TFA 2012-2013)

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L’elettrone è il protagonista di moltissimi fenomeni

• La luce visibile (generazione e osservazione)

• I fenomeni elettro-magnetici in generale

• Le reazioni chimiche

• Le proprietà superficiali dei materiali

• Le proprietà di conduzione elettrica dei materiali

• I motori elettrici

• Il telefono

• La radio a transistor

• ^{. . .}

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La scoperta dei raggi X

Wilhelm Conrad Röntgen 1845-1923

Il laboratorio di Wilhelm Röntgen (Università di Würzburg, anno imprecisato)

Platino cianuro di Bario Il primo rivelatore di radiazione

http://www.orau.org/ptp/collection/radiology/bariumplatinocyanide.htm

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La scoperta dei raggi X (8 nov. 1895)

http://xrm.phys.northwestern.edu/~jacobsen/phy103w2013/l10.pdf

• Venerdì pomeriggio: sperimentando con i tubi di Crookes nella penombra si accorge di una strana luminescenza in concomitanza delle scariche nei tubi di Crookes

• Accende un fiammifero per vedere da cosa è emessa la tenue luce:

è una lastra di coperta di platinocianuro di bario

• Chiamato a cena varie volte (abitava nel dipartimento di Fisica essendone il direttore) non risponde e rimane chiuso nel laboratorio

• Per alcune settimane rimane chiuso nel suo solitario perplesso sconcerto. Scrive al suo amico Boveri: “ Ho scoperto qualcosa di interessante, ma non so se le mie osservazioni siano corrette o meno.”

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Osservazioni

• Röntgen nota l’ombra di un filo di metallo sulla lastra di platinocianuro di bario e decide di sperimentare con diversi materiali.

Il piombo è opaco, la carne trasparente, le ossa una via di mezzo…

• “Anna! Dai vieni su a darmi una mano, che ci si diverte!“

(beh... almeno così mi piace pensare)

Anna Bertha Ludwig e la sua mano

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Di che colore è un elettrone?

•

… dipende da come lo si muove …

(7)

Tubi per produrre raggi X

General Electric D-1.7 X-ray Tube (ca. 1940s-1950s) General Electric "Universal" X-ray Tube

(ca. 1920s)

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Di nuovo sul “vedere” gli atomi

• Un reticolo regolare di sorgenti di onde sferiche

produce onde piane in direzioni ben precise legate al passo reticolare ed alla lunghezza d’onda

• Similmente nel caso di riflessione esistono delle direzioni precise legate al passo reticolare ed alla lunghezza d’onda in cui la luce viene riflessa con maggior intensità

http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/recip/7bragg.htm

Page 7.8

Chapter 7: Basics of X-ray Diffraction

GONIOMETER

For the THETA:THETA goniometer, the sample is stationary in the horizontal position, the X-ray tube and the de- tector both move simultaneously over the angular range THETA.

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Intensità dell’onda riflessa al variare dell’angolo theta

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La Belle Époque della Fisica Classica

• ^1895:

Röntgen scopre i raggi X

• ^1896:

Becquerel scopre la radioattività

• ^1897:

Thompson scopre l’elettrone

• ^1898:

Marie Sklodowska e Pierre Curie scoprono il radio ed il polonio

• Oggi viviamo in tempi tremendamente noiosi o no?

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La scoperta della radioattività

• Alle volte le idee sbagliate portano a grandi scoperte se perseguite con metodo, rigore scientifico ed una certa dose di fortuna

• Becquerel immagina che i sali d’uranio possano assorbire radiazione visibile ed emettere raggi X. Per dimostrare la sua tesi avvolge in carta nera una lastra fotografica, vi depone sopra un sale d’uranio ed espone il tutto al sole.

• Ma un bel giorno su Parigi ci sono le nuvole e Becquerel sviluppa le lastre

osserva che sono impressionate e capisce di aver preso lucciole per lanterne. La luce del sole non c’entra nulla.

Antoine Henri Becquerel (1852-1908)

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Sir Winston Churcill said:

Men occasionally stumble over the truth, but most of them pick themselves up and

hurry off as if nothing ever happened.

(13)

Particelle cariche? Di nuovo?

•

Becquerel cerca di capire se le particelle emesse dall’uranio siano cariche o neutre

•

Nel frattempo i coniugi Curie osservano che gli scarti dell’estrazione dell’uranio sono assai più radioattivi dell’uranio stesso

(14)

Il polonio ed il radio

Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio (data imprecisata ~ 1900)

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(16)

Spintariscopio: un intrattenimento per i salotti scientifici borghesi e per i fisici sperimetali

Lo spintariscopio di Crookes appartenuto a Millikan

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Dalla Belle Époque all’era atomica

Ernest Rutherford (1871-1937)

Nobel per la chimica 1908 Frase celebre:

“All science is either physics or stamp collecting.”

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http://xrm.phys.northwestern.edu/~jacobsen/phy103w2013/l10.pdf

X rays

Röntgen Use and abuse Generating X rays

Radioactivity Rutherford

Experimental confirmation Isotopes

Nucleus: properties Radioactivity Decay chains

Radiactive decay Radioactive dating Dating the earth Patterson: lead Ionizing radiation

Rutherford’s α apparatus

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X rays

Radioactivity: lots of energy!

• Rutherford and Soddy, 1903: “The energy of radioactive change must therefore be at least twenty-thousand times, and may be a million times, as great as the energy of any molecular change.”

Remember that chemistry happens at ∼3–10 eV, while nuclear decays happen at 10⁶ eV.

• Soddy in 1904: “If it [the energy of the nucleus] could be tapped and controlled what an agent it would be in shaping the world’s destiny! The man who put his hand on the lever by which a

parsimonious nature regulates so jealously the output of this store of energy would possess a weapon by which he could destroy the earth if he chose.”

• Soddy continued: “The fact that we exist is a proof that [massive energetic release] did not occur; that it has not occurred is the best possible assurance that it never will. We may trust Nature to guard her secret.”

Quoted in Rhodes, The making of the atomic bomb

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Possiamo confidare nella Natura, assai meno nella natura umana : (

Robert Oppenheimer (1904-1967)

Direttore del progetto Manhattan

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16 luglio 1945, la prima esplosione nucleare.

Oppenheimer and Groves inspecting the remains of the Trinity test tower,

9 September 1945.

(22)

Già… il nucleo. Come fu osservato?

• Thompson ipotizzava che l’atomo fosse fatto a mo’ di panettone con gli elettroni al posto dei canditi (e perché no, dopotutto?

Sono migliaia di volte più leggeri degli atomi, saranno dunque pur piccoli! )

• In questa ipotesi

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X rays

The unexpected

• Marsden and Geiger find significant scattering at large angles, including back towards the α particle source! Rutherford:

“It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. On consideration I realised that this scattering backwards must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you took a system in which the greatest part of the mass of the

atom was concentrated in a minute nucleus.”

• Context: HMS Dreadnought (1906) with 12 inch guns. HMS Queen Elizabeth (1913) with 15-inch guns: 1900 lb. shells, muzzle

velocity of 1700 mph, range of 11 miles!

L’esperimento di Rutherford (1911-1913)

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Il modello atomico di Rutherford

X rays

Re-examine the situation

• Conclusion: the nucleus is very small. When Rutherford figures it out (early 1911), he marches into Geiger’s office humming

“Onward Christian Soldiers” and announces, “I know what the atom looks like!”

• With a point-like nucleus, electrons must be in some sort of orbital motion.

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10

Rutherford

Thomson Rutherford

Thomson

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X rays

Experimental confirmation

Agreement between Rutherford’s theory and Marsden’s experiments (Krane Fig. 6.14):

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La scoperta degli isotopi (Thomson)

•

Avevamo lasciato Thomson alle prese con i raggi catodici e con la scoperta dell’elettrone

•

Nel 1907 Thomson iniziò ad indagare le proprietà dei corpuscoli che si muovono verso l’anodo

•

Utilizza un nuovo metodo per misurare il rapporto e/m

http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/positiverays/positiverays3_1.htm

(27)

La scoperta di due isotopi del neon

x y

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X rays

Aston and mass spectrometers

• Inspired by J.J. Thomson’s apparatus for measuring e/m of electrons.

• Find match of orthogonal electric and magnetic forces giving no deflection of a charged particle:

qvB = qE so v = E/B

Now measure curvature in a magnetic field:

m v²

r = qvB^� so m = qBr

v = qBB^�r E

• Aston measures mass of 212 of what we now know are 287 stable isotopes at Cavendish Lab starting in 1919.

From Giancoli:

Francis Aston (1877-1945; Nobel

Prize in Chemistry 1922)

(29)

I nuclei noti

(30)

(31)

Il nucleo, domande da porsi

•

Il nucleo è sottoposto alla repulsione elettrostatica fra cariche omologhe. Quale forza contrasta la

disintegrazione? Cosa tiene unito il nucleo?

•

Da dove vengono i nuclei che compongono la materia che ci circonda?