1 fisica ed astrofisica dei raggi cosmici corso-laboratorio a.a. 2005/06 progetto lauree...

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Fisica ed Astrofisica dei Fisica ed Astrofisica dei Raggi CosmiciRaggi Cosmici

Corso-Laboratorio a.a. 2005/06Corso-Laboratorio a.a. 2005/06

Progetto “Lauree Scientifiche” Progetto “Lauree Scientifiche”

prof. Maurizio Spurioprof. Maurizio Spurio

[email protected]@bo.infn.it

22

SommarioSommario

1. I Raggi Cosmici1. I Raggi Cosmici1.1 Generalità e prime osservazioni1.1 Generalità e prime osservazioni

1.2 Misure dirette e “composizione chimica”1.2 Misure dirette e “composizione chimica”La nostra GalassiaLa nostra GalassiaLe Supernovae originano i RCLe Supernovae originano i RC

1.3 Misure Indirette1.3 Misure IndirettePossibili sorgenti extragalattichePossibili sorgenti extragalattiche

2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidiana

33

SommarioSommario





44

La scoperta dei RCLa scoperta dei RC L’esistenza dei Raggi

Cosmici fu scoperta da Victor Hess agli inizi del 1900. La radioattività era stata da poco scoperta.

Il problema: sembrava che nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale.

Inoltre,allontanandosi dalla Terra (dove ci sono le rocce radioattive), la “radioattività” sembrava aumentare.

55

Il primo esperimentoIl primo esperimento• Nel 1912, Hess caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per misurare le particelle cariche.

• Nel volo, si dimostrò come la radiazione aumentava con l’altitudine.

• Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre (come la radioattività naturale) ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici

66

Complementi 1:La Radioattività naturale

77

I Raggi Cosmici sulla TerraI Raggi Cosmici sulla Terra• I RC bombardano

continuamente la Terra: circa 100000 particelle originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora.

• Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti.

Laboratorio 1: Vedremo alcune tecniche sperimentali (rivelatori nucleari a tracce) per la misura della radioattività.

88

RC Primari e SecondariRC Primari e SecondariSorgente Astrofisica(Resto di Supernova)

Raggio Cosmico Primario(protone, nucleo)

Sciame di particelle secondarie =

RC secondari

Atmosfera Terrestre

99

Misurare i RC PrimariMisurare i RC Primari Occorre andare molto in alto, al limite Occorre andare molto in alto, al limite

dell’atmosfera, per intercettare il RC prima che dell’atmosfera, per intercettare il RC prima che interagisca coi nuclei dell’Atmosfera (con palloni, interagisca coi nuclei dell’Atmosfera (con palloni, satelliti, base spaziale).satelliti, base spaziale).

Laboratorio 2: Analisi dei dati di un rivelatore trasportato da un pallone (esperimento CAKE) per la misura della composizione chimica dei RC.

1010

Un gruppo di Bologna collabora per la costruzione di un rivelatore di RC da istallare sulla Stazione Spaziale Internazionale (esperimento AMS-2).

1111

Spettro Energetico Spettro Energetico dei raggi cosmicidei raggi cosmici

TOTTOT~1000 m~1000 m-2-2ss-2-2srsr-1-1

Misure dirette: 90% p, 9% Misure dirette: 90% p, 9% He, 1% nuclei pesantiHe, 1% nuclei pesanti

Si estende per 11 ordini di Si estende per 11 ordini di grandezza in energia: da 1 grandezza in energia: da 1 GeV a 10GeV a 101111 GeV GeV

Legge di potenza su tutto lo Legge di potenza su tutto lo spettro, con due cambi di spettro, con due cambi di pendenzapendenza

Misure dirette

Misure Indirette (EAS)

Ginocchio Caviglia

Nota: i Fisici misurano spesso le energie in GeV anziché in Joule.1 GeV = 1.6 x 10-10 J. Poiché E=mc2, la massa del protone corrisponde circa a 1 GeV.

1212

Misurare i RC SecondariMisurare i RC Secondari

• I RC Primari (90% protoni, 9% nuclei ) in arrivo sulla sommità dell’atmosfera interagiscono producendo uno sciame di particelle.• Tra queste, sopravvivono sino alla superficie della terra gli elettroni ed i muoni.

Laboratorio 3: Comprenderemo ed useremo le tecniche sperimentali per misurare i muoni che arrivano al suolo (telescopio per muoni).

RC Primario

RC secondari

1313

SommarioSommario





1414

La composizione Chimica dei RCLa composizione Chimica dei RCLA TABELLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI: Uno dei principali argomenti di ricerca dell’astrofisica è comprendere come si siano formati gli elementi chimici (vedi Complementi 2).

• Noi conosciamo la composizione chimica del nostro Sistema Solare (SS).• Questa, deriva dal processo di formazione del SS stesso.

1515

La composizione Chimica del SSLa composizione Chimica del SS Ad esempio, sulla Terra, l’Oro (Au) è circa 5x10-6

meno abbondante del Ferro (Fe); Questo deriva da un meccanismo universale: il Fe si

forma all’interno delle stelle più massicce (>8 MS), durante la loro vita normale.

Quando nel nucleo della stella si è formato il Fe, essa cessa di funzionare, ed esplode (supernova).

L’Au si forma quando le stelle più grandi esplodono. Il rapporto (Au/Fe) è circa costante in tutta la Galassia. (Per questo, gli alchimisti cercavano di tramutare il Fe

in Au, e non viceversa!)

1616

La composizione Chimica : confronto La composizione Chimica : confronto tra il Sistema Solare e i RCtra il Sistema Solare e i RC

C,N,O

Li,Be,B

Fe

79, Au

Elementi formati nella Nucleosintesi stellare

Elementi formati nella esplosione (supernova)

1717

Osservazione 1Osservazione 1

• I Raggi Cosmici hanno una somiglianza molto forte con composizione chimica del materiale presente attorno al Sistema Solare!• Come vedremo, i RC NON provengono dal Sistema Solare, ma “navigano” nella Galassia per milioni di anni (vai a confinamento dei RC)

• Quindi il meccanismo che origina i Raggi Cosmici è lo stesso meccanismo che ha originato il Sistema Solare.

1818

Dallo studio della sua composizione chimica: chi ha originato il Sistema

Solare?

Complementi 2:Reazioni nucleari nelle Stelle eSupernovae

1919

Big Bang(13.7 Gy)

Galassie Formazione di stelle

Stella

Supernova

Nebula M < 8 Msole

M > 8 Msole

2020

Il Sistema solare e i RCIl Sistema solare e i RC Dalla presenza di elementi pesanti (ed anche Dalla presenza di elementi pesanti (ed anche

quelli superiori al Fe) deduciamo che il sistema quelli superiori al Fe) deduciamo che il sistema Solare è stato generato (5Gy) da una esplosione Solare è stato generato (5Gy) da una esplosione di una stella più massiccia del Sole, che ha di una stella più massiccia del Sole, che ha originato il Sole e tutti i pianeti. originato il Sole e tutti i pianeti.

Ciò è dimostrato dal fatto che sulla Terra (come Ciò è dimostrato dal fatto che sulla Terra (come su tutti gli altri pianeti, e sul Sole) sono presenti su tutti gli altri pianeti, e sul Sole) sono presenti tutti gli elementi chimici sino all’ Uranio.tutti gli elementi chimici sino all’ Uranio.

I RC, avendo una composizione chimica analoga I RC, avendo una composizione chimica analoga a quella del nostro Sistema Solare, a quella del nostro Sistema Solare, sono sono particelle provenienti ed accelerate da particelle provenienti ed accelerate da analoghe esplosioni all’interno della Galassiaanaloghe esplosioni all’interno della Galassia ..

2121

Il Sistema solare e i RCIl Sistema solare e i RCI RC devono:I RC devono: provenire provenire dall’esternodall’esterno del nostro Sistema Solare del nostro Sistema Solare rimanere confinati per circa 10 milioni di anni rimanere confinati per circa 10 milioni di anni

all’interno della Galassia.all’interno della Galassia.

Come si possono dimostrare questi fatti?Come si possono dimostrare questi fatti?

Chi “confina” i RC all’interno della nostra Galassia?Chi “confina” i RC all’interno della nostra Galassia?

2222

Il confinamento dei RCIl confinamento dei RCC,N,O

Li,Be,B

• L’astrofisica stellare ci dice che Li, Be, B servono per catalizzare le reazioni di fusione nucleare nel nucleo delle stelle.• Li,Be,B presenti la stella funziona.• Li,BE,B assenti la stella collassa (Supernova, SN).

Notate ora la differenza!

2323

Produzione di Li,Be,B nella Produzione di Li,Be,B nella propagazione dei RCpropagazione dei RC

• Nelle esplosioni delle SN non vengono emessi Li, Be, B.• Nel nostro sistema solare, questi tre elementi sono molto scarsi (rari come l’oro).• E’ una ulteriore conferma che il Sistema Solare è stato generato da una SN• Nei RC sono invece abbondanti, quasi come il C, N, O (elementi molto comuni).

• Come si spiega questo fatto?

2424

La presenza di Li, Be, B nei Raggi cosmici è un La presenza di Li, Be, B nei Raggi cosmici è un indizio molto importante.indizio molto importante.

Nei RC, il rapporto misurato tra nuclei: Nei RC, il rapporto misurato tra nuclei: R=R=#(Li+Be+B) / #(C+N+O) = 0,25#(Li+Be+B) / #(C+N+O) = 0,25

(vedi figura pagina 22)(vedi figura pagina 22) Possiamo fare la seguente supposizione: i nuclei Possiamo fare la seguente supposizione: i nuclei

C,N,O producono nuclei di Li,Be,B per C,N,O producono nuclei di Li,Be,B per frammentazioneframmentazione nell’urto col gas interstellare, nell’urto col gas interstellare, durante la propagazione nella Galassia.durante la propagazione nella Galassia.

Frammentazione dei nuclei

2525

Misura sperimentale dello spessore Misura sperimentale dello spessore di materiale per riprodurre Rdi materiale per riprodurre R

Possiamo immaginare un esperimento che Possiamo immaginare un esperimento che riproduca il valore sperimentale del rapporto riproduca il valore sperimentale del rapporto R= #(Li+Be+B)/#(C+N+O) = 0,25R= #(Li+Be+B)/#(C+N+O) = 0,25

In un acceleratore di particelle, inviamo un fascio di In un acceleratore di particelle, inviamo un fascio di nuclei C,N,O contro un bersaglio di rivelatori nuclei C,N,O contro un bersaglio di rivelatori nucleari a traccia.nucleari a traccia.

Nel passaggio nei rivelatori, alcuni nuclei C,N,O si Nel passaggio nei rivelatori, alcuni nuclei C,N,O si frammentano per diventare Li,Be,B.frammentano per diventare Li,Be,B.

DomandaDomanda: quale è lo spessore di bersaglio : quale è lo spessore di bersaglio necessario perché R=0,25 ?necessario perché R=0,25 ?

2626

Produzione di Li,Be,B da Produzione di Li,Be,B da frammentazione di nuclei di C,N,O:frammentazione di nuclei di C,N,O:

Esperimento simulatoEsperimento simulato (attenuazione.xlm). (attenuazione.xlm).

Rapporto (nuclei Li,Be,B)/(nuclei C,N,O)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10 12x (cm)

R

Valore misurato del rapporto R nei RC

2727

Misura di XMisura di X Lo spessore di rivelatore X (densità media 0.95 g/cmLo spessore di rivelatore X (densità media 0.95 g/cm33) )

tale che il rapporto tra nuclei di C,N,O “fascio” e nuclei tale che il rapporto tra nuclei di C,N,O “fascio” e nuclei Li,Be,B “frammenti” corrisponde 5.1 cm. Li,Be,B “frammenti” corrisponde 5.1 cm.

Poiché questo spessore dipende dalla densità del Poiché questo spessore dipende dalla densità del mezzo attraversato, lo esprimiamo : mezzo attraversato, lo esprimiamo :

2

3

/8.495.01.5

)/()(

cmg

cmgcmXx

(notate che questo corrisponde al percorso che il fascio (notate che questo corrisponde al percorso che il fascio avrebbe percorso in acqua, la cui densità è di 1 g/cmavrebbe percorso in acqua, la cui densità è di 1 g/cm3 3 ))

2828

Tempo di Permanenza dei RC nella Tempo di Permanenza dei RC nella GalassiaGalassia

I RC si muovono nella Galassia, non nell’acqua o nel I RC si muovono nella Galassia, non nell’acqua o nel rivelatore. Il percorso Xrivelatore. Il percorso XIGIG nella galassia sarà nella galassia sarà

estremamente elevato, poiché gli astronomi ci dicono estremamente elevato, poiché gli astronomi ci dicono che la densità del mezzo interstellare nella Galassia che la densità del mezzo interstellare nella Galassia IGIG= 1 protone/cm= 1 protone/cm33 = 1.6 10 = 1.6 10-24-24 g/cm g/cm33

cmcmXX

XXgcm

acquaIG

acquaIG

IGIGacquaacqua

2424

3

103)(8.4106.0

8.4

2929

Tempo di Permanenza dei RC nella Tempo di Permanenza dei RC nella GalassiaGalassia

• Gli astronomi preferiscono misurare le distanze di oggetti astrofisici in parsec.

• 1 parsec = 3x10101818 cm cm• Dunque, il percorso dei raggi cosmici nella Dunque, il percorso dei raggi cosmici nella Galassia corrisponde a: Galassia corrisponde a:

pcX IG61824 10103/103

Domanda: E’ tanto o poco?

3030

Dimensioni della GalassiaDimensioni della Galassia

15 kpc

200 pc

• I RC permangono nella Galassia, percorrendo circa 1 Mpc, percorso >> del diametro della Galassia.

• Perché non sono fuggiti?• Quale meccanismo li intrappola ?

pcX IG610

3131

• Per la forza di Lorentz le particelle cariche si muovono su orbite circolari.• Assumiamo una regione in cui B e’ uniforme e costante; la particella entra con velocità ortogonale a B. • La forza ha modulo qvB, ed e’ diretta verso il centro.

rmmaFq

circolaremotoNewtonIILorentz

2

vvB

qB

mr

vRaggio

Moto di una particella carica in Moto di una particella carica in campo magneticocampo magnetico

3232

Campo Magnetico GalatticoCampo Magnetico Galattico

La Galassia ha un Campo Magnetico pari a circa 3x10La Galassia ha un Campo Magnetico pari a circa 3x10-6-6 Gauss =3x10Gauss =3x10-10-10 T T La direzione e verso del campo magnetico Galattico variano La direzione e verso del campo magnetico Galattico variano in continuazione (su scale di distanze dell’ordine di 10 pc).in continuazione (su scale di distanze dell’ordine di 10 pc).

3333

Raggio di curvatura dei RCRaggio di curvatura dei RC E’ il E’ il campo magnetico galatticocampo magnetico galattico che confina ed che confina ed

“intrappola” i RC per un tempo molto lungo, sino a “intrappola” i RC per un tempo molto lungo, sino a quando i RC raggiungono il bordo della Galassia e quando i RC raggiungono il bordo della Galassia e riescono a fuggire.riescono a fuggire.

Il raggio di curvatura di un nucleo relativistico (con Il raggio di curvatura di un nucleo relativistico (con v=c) di carica q=Ze in campo magnetico B:v=c) di carica q=Ze in campo magnetico B:

ZecB

E

ZecB

mcr

ZevBr

m

2

2v

3434

Raggio di curvatura dei RCRaggio di curvatura dei RC Consideriamo un protone di E~10Consideriamo un protone di E~1066 GeV = 1.6x10 GeV = 1.6x10-4-4 J J

pcm

TsmCZecB

Er

310

)(103)/(103)(106.1

106.1

16

10819

4

Il valore del raggio di curvatura di questo protone è molto più piccolo dello Il valore del raggio di curvatura di questo protone è molto più piccolo dello spessore della Galassiaspessore della Galassia

3535

Effetto del Campo Magnetico Effetto del Campo Magnetico Galattico sui RCGalattico sui RC

<10<106 6 GeV: intrappolati in piccole regioni della Galassia. GeV: intrappolati in piccole regioni della Galassia. <10<109 9 GeV: RC ben confinati nella galassiaGeV: RC ben confinati nella galassia ≳ ≳ 101010 10 GeV: sorgenti extragalatticheGeV: sorgenti extragalattiche ~ 10~ 101111 GeV la deviazione nella Galassia < 1° GeV la deviazione nella Galassia < 1°

Ricorda la figura con lo spettro energetico dei RC

3636

Tempo di permanenza dei RC nella Tempo di permanenza dei RC nella GalassiaGalassia

A causa della deflessione nel Campo magnetico, A causa della deflessione nel Campo magnetico, non è possibile “fare astronomia” coi RC (non non è possibile “fare astronomia” coi RC (non puntano alla sorgente); le direzioni di provenienza puntano alla sorgente); le direzioni di provenienza sono “random”.sono “random”.

I Raggi cosmici sono dunque intrappolati dal campo I Raggi cosmici sono dunque intrappolati dal campo magnetico galattico all’interno della Galassia stessa.magnetico galattico all’interno della Galassia stessa.

Sai calcolare il tempo di permanenza dei RC con i Sai calcolare il tempo di permanenza dei RC con i dati sinora in possesso? (dati sinora in possesso? (Risposta: 3 10Risposta: 3 1066 anni anni) )

3737

SommarioSommario





3838

Raggi Cosmici Secondari (RCS)Raggi Cosmici Secondari (RCS)cosmic ray proton

Secondary particles

Decay products

Electron-Electron-photon photon cascadecascadess

• I RC secondari sono prodotti dall’interazione dei primari nell’atmosfera.

• I RCS sono principalmente composti da elettroni, muoni ed adroni.

• Nei RCS sono presenti neutrini.

3939

Raggi cosmici SecondariRaggi cosmici Secondari• L’uomo si è adattato alla

presenza di RCS.• Tuttavia, il loro flusso

cresce all’aumentare della quota (Hess, 1912).

• Possibili problemi per la lunga permanenza dell’uomo nelo spazio.

• I RC di energia estrema sono misurabili solo attraverso gli sciami prodotti nell’atmosfera. Flusso a diverse quote dei RCS. Il

possibile danno biologico provocato dalle tre componenti è diverso.

protoni

elettroni

muoni

4040

Simulazione al computer di una Simulazione al computer di una Cascata di particelleCascata di particelle

4141

Simulazione MC di una CascataSimulazione MC di una Cascata

Elettroni

4242


Gamma

4343


Muoni

4444


Adroni

4545

RC di energia RC di energia estremaestrema

I RC di elevata energia (>10I RC di elevata energia (>101919 eV) eV) sono estremamente rari, a causa sono estremamente rari, a causa del basso flusso.del basso flusso.

Occorrono enormi superfici Occorrono enormi superfici attrezzate per rivelarli.attrezzate per rivelarli.

La loro origine è incerta: non si La loro origine è incerta: non si conoscono oggetti nella Galassia conoscono oggetti nella Galassia in grado di fornire tanta energia.in grado di fornire tanta energia.

I RC di energia estrema sono I RC di energia estrema sono probabilmente di origine probabilmente di origine extragalattica!extragalattica!

Origine Galattica!

Origine Extragalattica ?

4646

Rivelatore di sciamiRivelatore di sciami: 1600 : 1600 taniche cilindriche taniche cilindriche (ciascuna di 10 m(ciascuna di 10 m22 ed alte ed alte 1.5 m) riempite di acqua1.5 m) riempite di acqua, , per rivelare al suolo gli per rivelare al suolo gli sciami di elettronisciami di elettroni

Il rivelatore di sciami misura Il rivelatore di sciami misura la distribuzione laterale e la distribuzione laterale e temporale dello sciametemporale dello sciame

Distanza tra taniche: 1.5 kmDistanza tra taniche: 1.5 km Area di forma esagonale, di Area di forma esagonale, di

606060 km260 km2

AUGER: un esperimento per RC di AUGER: un esperimento per RC di energia estremaenergia estrema

4747

Il principio della rivelazione degli sciami con EASe determinazione della direzione del primario

T1T2

T3T4T5

4848

solo 1 evento / km² secolo : 1600 rivelatori „water – Cherenkov“

Auger SUD ~ 3000 km² + 6 telescopi di luce di fluorescenza

60 km

5050

Candidates for EHE C.R. acceleratorCandidates for EHE C.R. accelerator

Pulsar SNR A.G.N.

GRB

Radio Galaxy Lobe

5151

BATSE rate ~1 per dayNo repetions, full isotropy

I Gamma Ray Burst: I Gamma Ray Burst: uno dei più energetici uno dei più energetici

eventi nell’unversoeventi nell’unverso

5252

Protoni di alta energia: 50 Mpc

neutrini

sorgente

Protoni di bassa energia: deflessi

Fotoni di alta energia: 10 Mpc

L’astronomia con RC o L’astronomia con RC o di alte di alte energie ha dei limitienergie ha dei limiti

5353

Schema di un telescopio per Schema di un telescopio per neutrinineutrini

neutrino

muon

Cherenkov light

~5000 PMT

Connection to the shore

neutrino

atmospheric muon

depth>3000m

5454

N X

W

interazione

43°

č

Principio di rivelazione dei neutriniLa luce viene rivelata dagli

“occhi elettronici” e la traccia ricostruita

La luce viene rivelata dagli “occhi elettronici” e la traccia

ricostruita

Nel mare profondo (3000-4000 m) vengono disposti degli

“occhi elettronici” capaci di vedere la luce emessa dal

passaggio di particelle cariche

Nel mare profondo (3000-4000 m) vengono disposti degli

“occhi elettronici” capaci di vedere la luce emessa dal

passaggio di particelle cariche

5555

electro optical cable: construction anddeployment

Data transmission system

Underwaterconnections

Detector:design and constructiondeployment and recovery

Power transmission system

Electronics

Power Distribution

Acoustic positioning

Il telescopio NEMOIl telescopio NEMO

5656

SommarioSommario




2. Alcuni effetti dei RC sulla vita 2. Alcuni effetti dei RC sulla vita quotidianaquotidiana

5757

2.1 RC ed origine della vita2.1 RC ed origine della vita

La radiazione ionizzante ha La radiazione ionizzante ha effetto sulla combinazione/ effetto sulla combinazione/ dissociazione di composti;dissociazione di composti;

La radiazione ha effetti sulla La radiazione ha effetti sulla mutazione del DNA;mutazione del DNA;

La Terra primordiale non era La Terra primordiale non era schermata dall’atmosfera;schermata dall’atmosfera;

I RC hanno sicuramente avuto I RC hanno sicuramente avuto un ruolo nella evoluzione delle un ruolo nella evoluzione delle speciespecie

5858

2.2 I RC e la vita nello spazio2.2 I RC e la vita nello spazio

I RC influenzano (negativamente) la possibilità di I RC influenzano (negativamente) la possibilità di colonizzare lo spazio.colonizzare lo spazio.

In pratica, l’assenza dell’atmosfera impedisce la In pratica, l’assenza dell’atmosfera impedisce la protezione dai danni biologici provocati dai RC;protezione dai danni biologici provocati dai RC;

Lo stesso danno può essere provocato ai Lo stesso danno può essere provocato ai microprocessori e chips.microprocessori e chips.

Cfr: Al9000 in “2001 Odissea nello Spazio” Cfr: Al9000 in “2001 Odissea nello Spazio”

5959

2.3 I RC e le telecomunicazioni2.3 I RC e le telecomunicazioni

Il Sole è una Il Sole è una intensa sorgente intensa sorgente di RC di bassa di RC di bassa energia. energia.

Il sole Il sole occasionalmente occasionalmente emette violenti emette violenti “flares” che “flares” che disturbano le disturbano le telecomunicazionitelecomunicazioni

6060

2.4 I RC e la datazione dei reperti2.4 I RC e la datazione dei reperti I RC producono RC Secondari nell’atmosfera. Tra I RC producono RC Secondari nell’atmosfera. Tra

questi, i neutroni (n).questi, i neutroni (n). I n sono catturati dal I n sono catturati dal 1212C, e formano l’isotopo C, e formano l’isotopo 1414C;C; L’isotopo L’isotopo 1414C ha una vita media di circa 5000 anni;C ha una vita media di circa 5000 anni; L’isotopo L’isotopo 1414C viene metabolizzato dagli organismi C viene metabolizzato dagli organismi

viventi e piante come il viventi e piante come il 1212C. Il rapporto tra numero di C. Il rapporto tra numero di atomi dei due tipi è costante negli organismi viventi.atomi dei due tipi è costante negli organismi viventi.

Quando un organismo (vegetale o animale) muore, gli Quando un organismo (vegetale o animale) muore, gli isotopo isotopo 1414C cominciano a decadere. Il rapporto tra i C cominciano a decadere. Il rapporto tra i due isotopo comincia a variare. due isotopo comincia a variare.

Dalla conoscenza del rapporto, è possibile “datare” Dalla conoscenza del rapporto, è possibile “datare” l’oggetto, a partire dalla data di “morte”.l’oggetto, a partire dalla data di “morte”.

6161

ConclusioniConclusioni

I prossimi 10-20 anni saranno importantissimi per la I prossimi 10-20 anni saranno importantissimi per la fisica dei RC:fisica dei RC: L’esperimento AMS-2 potrà misurare con statistica enorme i L’esperimento AMS-2 potrà misurare con statistica enorme i

RC di bassa energia (flusso, composizione chimica…)RC di bassa energia (flusso, composizione chimica…) L’esperimento AUGER misurerà i RC di energia estrema L’esperimento AUGER misurerà i RC di energia estrema

(origine extragalattica?)(origine extragalattica?) I Telescopi per neutrini potranno individuare le sorgenti di I Telescopi per neutrini potranno individuare le sorgenti di

RC nella Galassia (pulsar, SN remnants, microquasar…)RC nella Galassia (pulsar, SN remnants, microquasar…) Nuovi satelliti daranno informazione sulla fisica dei GRBsNuovi satelliti daranno informazione sulla fisica dei GRBs Eventuali nuovi fenomeni potranno essere scoperti.Eventuali nuovi fenomeni potranno essere scoperti.

6262

FineFine

6363

Complementi 1:Complementi 1:La radioattivitàLa radioattività

6464

La radioattività: atomiLa radioattività: atomi

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è antica quanto l’Universo ed è presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.

Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla).

L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo.

6565

La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici che conosciamo. Quello che cambia da un elemento all’altro è il numero dei protoni e dei neutroni che l’atomo contiene.

Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato “numero atomico” e si indica con la lettera Z. L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio...

Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata numero di massa.

I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A (ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono chiamati isotopi.

La radioattività: isotopiLa radioattività: isotopi

6666

La radioattività: i decadimentiLa radioattività: i decadimenti Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili.

Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi.

La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata decadimento radioattivo.

6767

La radioattività: la vita mediaLa radioattività: la vita media Il tempo medio che occorre aspettare (che può

essere estremamente breve o estremamente lungo) viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni.

6868

Radiazioni alfa, beta e gammaRadiazioni alfa, beta e gamma

Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni.

alfabetagamma

6969

La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo

(Z,A) emette una particella (Z,A) emette una particella (= un nucleo di elio (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). numero di massa (A – 4).

Le radiazioni Le radiazioni sono poco penetranti sono poco penetranti e possono essere e possono essere completamente completamente bloccate da un bloccate da un semplice foglio di semplice foglio di carta carta

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La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento DecadimentoDecadimento: Il nucleo emette un e- e un : Il nucleo emette un e- e un

antineutrino e si trasforma in un nucleo con antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A. carica (Z+1), ma stesso numero di massa A.

Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle , , ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallicimetallici

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La radioattività – Decadimento La radioattività – Decadimento Decadimento Decadimento : Il nucleo non si trasforma ma passa : Il nucleo non si trasforma ma passa

in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella la radiazione gamma accompagna spesso quella o o . .

Al contrario delle radiazioni Al contrario delle radiazioni ee, le radiazioni , le radiazioni sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. materiali ad elevata densità come il piombo.

Utilizzo:Utilizzo: terapie terapie oncologicheoncologiche

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Complementi 2:Complementi 2:Reazioni Nucleari nelle StelleReazioni Nucleari nelle Stelle

SupernovaeSupernovae

SN1987A

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• La teoria (Big Bang) e le osservazioni sull’evoluzione dell’Universo mostrano che la sua età 14 miliardi di anni.• L’Universo primordiale (a partire da 3 minuti, era composto solamente di nuclei di H e He. Solo idrogeno ed elio !!! • Come si sono potuti formare gli elementi più pesanti della Tabella periodica, necessari per la spiegare l’abbondanza degli elementi??

Come è nato il Sistema Solare?-1Come è nato il Sistema Solare?-1

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• La materia, a causa dell’attrazione gravitazionale, ha cominciato ad aggregarsi in gigantesche ammassi; • Questi grandi ammassi di gas hanno iniziato a formare le Galassie;• All’interno delle Galassie (1 Gy), sono cominciate a formarsi le stellestelle.• Le stelle sono agglomerati di materia (H,He) che si formano a causa della forza gravitazionale (attrattiva).


• Gli elementi più pesanti di H ed He (sino al Fe), si sono formati (e si formano) nei processi di fusione nucleare all’interno delle stelle !

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Questa energia (radiazione) è sufficiente a contrastare la pressione dovuta alla gravità e a mantenere in equilibrio le stelle per miliardi di anni.

Gravità

Radiazione

•Nelle stelle, l’enorme pressione per la gravità avvicina i protoni a distanze tali da far innescare la cattura da parte delle forze nucleari.• Si formano cosi’ , a partire da H ed He, nuclei piu’ pesanti in un processo chiamato “fusione”• La fusione libera energia.

Vedi cos’è la fusione nucleare!


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Richiede: Un gas ad alta densità ed un temperatura interna estremamente elevata.

Queste condizioni sono soddisfatte nel “core” del Sole e delle Stelle.

La materia è completamente ionizzata; I nuclei, a causa della pressione dovuta alla gravità, sono molto vicini e collidono con velocità molto elevate.

LD sfx11 Ch. 43,44

Nuclear Reactions

Fusione NucleareFusione Nucleare

7777

+P N+P

N

N+P

+P +P

N

N

N

+P +P

H1 H2 H3

He3 He4

Deuterio Tritium

Nuclei di Idrogeno

Protone Nucleo di Idrogeno

Nuclei di Elio

I protagonisti:

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+P

+P

Neutrino

+P

N

Deuteron+e

Forze Implicate nella FusioneElettriche: Cariche Positive si Respingono

Forze Nucleari Forti: I protoni. Se estremamente vicini, si attraggono (forze a short range)

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Proton

Proton

Proton

Proton

Electron

Electron

Protons

Positron

Positron

Deuteron

Deuteron

Neutrino

Neutrino

Helium-3

Helium-4

1

2

3

4

6

5

Catena Protone-Protone

Radiazione!

8080

I processi di fusione funzionano all’interno delle stelle sino a che si e’ formato il nucleo di Fe.

La formazione di nuclei più pesanti del Fe richiede energia (anziché fornirla).

Energia di legame nucleare in funzione del numero di massa A

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La morte della Stella (Supernova)La morte della Stella (Supernova)• I nuclei piu’ pesanti del Fe (sino all’U) si formano durante le catastrofiche morti delle stelle (supernovae, SN) tramite collisioni di altissima energia tra i nuclei.

1 fisica ed astrofisica dei raggi cosmici corso-laboratorio a.a. 2005/06 progetto lauree...

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