Fisica
Come si misura la velocità di un fotone
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ANNI: 44
DOMANDA: Visto che il fotone ha massa zero a velocità zero e massa dinamica hf/c^2, volevo sapere se tale massa è stata "misurata" con prove di laboratorio. Grazie.
RISPOSTA: Nella teoria unificata 'elettrodebole', modello che descrive le forze elettromagnetiche e nucleari deboli, il fotone è una particella con massa esattamente nulla. La formula che lei riporta non è la massa del fotone bensì l'energia del fotone divisa per il quadrato della velocità della luce. L'utilizzo del termine 'massa dimanica' puo' trarre in inganno in quanto un suo valore non nullo non implica una massa del fotone diversa da zero. Inoltre quello che scrive nel suo mail non è esatto: la massa del fotone non è zero per v=0 in quanto, da quello che sappiamo, non possono esistere fotoni fermi. Nella teoria 'elettrodebole' il fotone ha massa nulla e viaggia sempre alla velocità della luce. In ogni caso la misura di hf/c^2 si puo' fare in laboratorio misurando la frequenza della luce emessa da una sorgente ad esempio utilizzando un reticolo di diffrazione. Quello che è importante è la verifica che il fotone sia effettivamente una particella di massa nulla. Una eventuale misura della sua massa richiederebbe un nuovo modello per l'interazione 'elettrodebole' cambiando una parte considerevole della fisica delle particelle come noi la conosciamo. Negli ultimi decenni sono state fatti numerosi tentativi per arrivare a determinare la massa del fotone. Nessuno di questi è stato capace di determinare un valore non nullo della massa del fotone e quindi si possono solo porre dei limiti superiori a questa grandezza. Per di più questi limiti sono incredibilmente piccoli (circa < 10^-50 grammi) ovvero quantità che non hanno molta influenza sui fenomeni che possono essere misurati in laboratorio. Infatti i limiti più stringenti sulla massa del fotone vengono da misure fatte sul comportamento del vento solare e di campi magnetici a distanze molto grandi dal Sole, ovvero dalle sonde spaziali che sono arrivate ai limiti del sistema solare.
(Dott. Carlo Civinini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Firenze)
Gli universi paralleli
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ANNI: 25
DOMANDA: Le moderne teorie fisiche hanno come conseguenza logica gli universi paralleli (ben quattro livelli sono stati elaborati e quindi descritti); volevo gentilmente avere qualche informazione in più.
RISPOSTA: Non sembra che risulti chiaramente che le moderne teorie fisiche abbiano come conseguenza logica gli universi paralleli e che quattro di questi siano già stati elaborati o almeno non sembra che esista alcuna teoria a tutt'oggi validata sperimentalmente che la permetta. Comunque, se ci può dire dove ha trovato queste informazioni, potremmo essere più esaurienti. A sua disposizione per eventuali altri chiarimenti.
(prof. Annamaria Cartacci - Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
Raggi catodici
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ANNI: 12
DOMANDA: Vorrei sapere cosa sono i protoni alfa presenti nei raggi catodici. Grazie.
RISPOSTA: I raggi catodici sono fasci di elettroni che si producono all'interno di un tubo nel quale viene fatto un vuoto molto spinto. Gli elettroni vengono prodotti, di solito per effetto termoionico, da un catodo (elettrodo negativo) costituito da un filamento riscaldato posto in una estremità del tubo; all'altra estremità si trova l'anodo (elettrodo positivo) verso il quale gli elettroni suddetti si muovono. Nel vuoto spinto del tubo catodico gli elettroni viaggiano ad alta velocità verso l'elettrodo positivo da cui sono attratti per effetto della forza di Coulomb. Il tubo a raggi catodici fu scoperto alla fine del 1800 e trova attualmente le sue più importanti applicazioni nell'oscilloscopio e nella televisione.
I protoni sono particelle con carica uguale e opposta a quella degli elettroni (e quindi dei raggi catodici); si tratta perciò di particelle positive con massa circa 1800 volte più grande degli elettroni. Le particelle alfa hanno carica positiva doppia del protone e sono composte da due protoni e due neutroni (il neutrone, come il protone, è un costituente del nucleo atomico, ha massa circa uguale a quella del protone e carica nulla).
I protoni furono osservati per la prima volta da Goldstein durante esperimenti con tubi a raggi catodici; egli scoprì che nel tubo erano presenti anche particelle che si muovevano in senso contrario agli elettroni e perciò positive; queste si formavano in seguito a ionizzazione delle molecole residue del gas. Allo stesso modo si possono formare particelle alfa.
(prof. Annamaria Cartacci - Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
E` possibile abbassare l'energia di legame degli elettroni?
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ANNI: 16
DOMANDA: Se teoricamente si diminuisce l'energia che tiene uniti gli elettroni al nucleo dell'atomo, si rimpicciolisce l'atomo e quindi l'oggetto? Se sì, è possibile abbassare tale energia, così da rimpicciolire un oggetto senza congelarlo, ad esempio una pianta senza farla morire?
RISPOSTA: Per semplicità consideriamo un atomo di idrogeno che è semplicemente costituito da un elettrone e da un protone. L'energia che lega queste due particelle è dovuta alla forza di Coulomb e, secondo la meccanica quantistica, nello stato di energia più bassa è completamente determinata da costanti fondamentali quali la carica dell'elettrone, la massa dell'elettrone e dalla costante di Planck. Inoltre questa energia di legame è negativa. Detto questo, diminuire l'energia di legame come proposto dalla domanda è equivalente ad aumentarla in valore assoluto. Questo si può fare aumentando sia la massa dell'elettrone che la carica elettrica dell'elettrone. In tal caso la distanza media dell'elettrone dal nucleo diminuisce. Come è chiaro questa è una situazione completamente ipotetica, dato che non conosciamo nessun mezzo fisico per variare queste costanti.
(prof. Roberto Casalbuoni - Già Docente di Fisica Teorica al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
Come si puo` utilizzare l'idrogeno evitando il pericolo di esplosioni?
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ANNI: 12
DOMANDA: Come fanno gli scienziati a maneggiare l'idrogeno senza che scoppi, visto che con un minimo sbalzo di temperatura esplode? Grazie.
RISPOSTA: L'idrogeno scoppia perché quando brucia lo fa in maniera talmente veloce che brucia tutto insieme, in un botto solo, un'esplosione. Ma, come tutte le cose che bruciano, anche l'idrogeno deve essere mescolato con l'ossigeno per poter bruciare. L'idrogeno da solo, per esempio in una bombola chiusa accuratamente, non viene a contatto con l'ossigeno e non brucia. Se invece mescoli idrogeno e ossigeno, allora basta davvero una scintilla anche piccolissima per far saltare tutto in aria. Puoi fare bruciare l'idrogeno senza che scoppi se lo mescoli con l'ossigeno un poco per volta, come succede per esempio nella fiamma ossidrica, dove brucia subito e continuamente e non fa in tempo ad accumularsene abbastanza da scoppiare.
(prof. Marcello Carlà - Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
Il mercurio
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ANNI: 12
DOMANDA: Quali sono le caratteristiche particolari che fanno del mercurio un solido con le caratteristiche di un liquido? Grazie.
RISPOSTA: Il mercurio, come tutti i metalli, può essere solido o liquido. Se riscaldi il ferro a temperatura molto alta, più di 1500 gradi, il ferro fonde e diventa liquido. La stessa cosa succede al piombo o allo stagno, ma a temperature più basse, circa 600 gradi il piombo e 500 lo stagno. C'è poi un metallo, il gallio, che fonde a temperature ancora più basse, 30 gradi: basta prendere in mano un cubetto di gallio, stringerlo e il calore della mano è sufficiente a farlo fondere e trasformarlo in goccioline di liquido luccicante.
Il mercurio fonde a una temperatura ancora più bassa; talmente bassa che lo vediamo sempre già fuso. Per vederlo ridiventare metallo solido dobbiamo raffreddarlo fino a 38 gradi sotto lo zero (un po' più freddo del surgelatore dove conserviamo i gelati). Le caratteristiche di tutti i metalli sono simili: sono lucidi e luccicanti (il ferro però solo se non ha fatto la ruggine), portano bene la corrente elettrica, quando sono solidi sono resistenti (il ferro di più, il piombo e lo stagno meno), e così via.
(prof. Marcello Carlà - Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
Perché ci si aspetta di trovare il bosone di Higgs a energie di circa 200 GeV
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ANNI: 42
DOMANDA: Perché ci si aspetta di trovare il bosone di Higgs a energie di circa 200 GeV?
Nella teoria conosciuta con il nome di Modello Standard la massa delle particelle elementari viene generata attraverso un meccanismo il cui funzionamento implica la presenza di almeno una particella che prende il nome di bosone di Higgs. È quindi fondamentale dare una conferma sperimentale, o una eventuale smentita, a questo meccanismo che ci potrebbe aiutare a comprendere meglio il concetto di massa.
Fino ad oggi il bosone di Higgs non è stato ancora scoperto ed è uno dei principali obiettivi del nuovo acceleratore LHC del CERN. Negli ultimi 20 anni gli esperimenti in fisica delle alte energie hanno effettuato moltissime misure sulle proprietà delle particelle elementari. Il valore di queste quantità viene predetto dal Modello Standard e dipende, anche se in maniera estremamente limitata, dalla massa del bosone di Higgs. Quindi confrontando il valore sperimentale, misurato con grande precisione, con quello teorico si può dare una stima della massa del bosone di Higgs senza che questo sia rivelato direttamente. Inoltre l'acceleratore LEP del CERN ha escluso la presenza del bosone di Higgs al di sotto di una massa di circa 115 GeV.
Mettendo insieme queste informazioni si può dire che se il bosone di Higgs esiste allora è molto probabile che questo abbia una massa inferiore a circa 185 GeV.
(dott. Carlo Civinini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Firenze)
La variazione del volume dei corpi con la temperatura
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ANNI: 12
DOMANDA: Potete spiegarmi la variazione del volume dei corpi con la temperatura?
Caro G., quando si scalda un corpo, sia esso un solido, un liquido o un gas, si verifica generalmente un aumento di volume. Si tratta di un fenomeno abbastanza piccolo per cui sono necessari strumenti precisi per metterlo in evidenza. Ad esempio, aumentando la temperatura di un grado, diciamo da 20 gradi a 21 gradi centigradi, un corpo solido aumenta il suo volume soltanto, all'incirca, di una parte su trecentomila, un corpo liquido di una parte su cinquemila e un corpo gassoso di una parte su trecento. Come vedi, si tratta di poca cosa ed è difficile rendersene conto nella vita di tutti i giorni... Il fenomeno però esiste e ha anche molte applicazioni pratiche. Per esempio, esso è utilizzato per costruire i termomemtri (come il termometro clinico a mercurio che serve per misurare la febbre...).
(prof. Egidio Landi Degl'Innocenti - Già Docente del Dipartimento di Astronomia dell'Università di Firenze)
La carica delle particelle subatomiche
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ANNI: 17
DOMANDA: Salve! Mi scuso anticipatamente per le mie conoscenze poco approfondite in materia fisica, però è da mesi (più precisamente da quando ho iniziato a studiare la struttura atomica e le particelle subatomiche in chimica) che questa domanda mi tormenta e vorrei darmi una risposta. Ho provato a chiedere ai miei professori, ma nessuno mi dà ascolto, mandandomi a sedere. Ho bisogno di sapere: da cosa dipende la carica delle particelle subatomiche? E perché vi sono due tipi di carica diversi? Vi ringrazio anticipatamente per la vostra cortesia e spero che un giorno potrò essere studente nella vostra università!
La sua domanda è molto interessante, ma anche una domanda a cui è molto difficile dare una risposta completa. Prima di tutto vorrei ricordare che la natura corpuscolare dell'elettricità fu scoperta alla fine dell'800 (1897) da J. J. Thomson, che misurò il rapporto tra carica e massa dell'elettrone. Questo significava che all'interno dell'atomo esistevano delle particelle cariche negativamente (questa è una pura definizione, Thomson avrebbe anche potuto sceglierle come cariche positive) e che quindi per assicurare la neutralità di un singolo atomo era necessario che fossero presenti, all'interno dell'atomo, in ugual numero delle cariche con valore opposto a quello della carica dell'elettrone. Quindi è la neutralità dell'atomo che richiede l'esistenza di particelle di carica uguale e opposta. A questo punto la domanda diventa: perché un atomo deve essere neutro? Questa è la parte difficile. Una risposta possibile parte dal principio antropico che dice che tutte le osservazioni scientifiche sono soggette ai vincoli dovuti alla nostra esistenza di osservatori, ma non tutti sono d'accordo che questo principio debba valere. In base a questo principio gli atomi devono essere neutri, altrimenti il nostro universo sarebbe completamente diverso da quello attuale e noi non saremmo qui a porci la domanda. È chiaro che questa può essere una risposta non soddisfacente, ma per il momento non ci sono spiegazioni migliori se non che i due tipi di cariche sono richiesti perché sperimentalmente la materia è neutra. Esiste poi un altro punto. In base alle nostre conoscenze odierne i protoni e i neutroni, cioè i costituenti del nucleo, sono essi stessi particelle composte. I loro componenti sono i quark, di cui esistono vari tipi; ma in particolare neutroni e protoni sono costituiti dai quark up (u) e down (d). Se poniamo uguale a +1 la carica del protone, la carica dell'elettrone vale -1 e la carica del neutrone è nulla. Quello che oggi sappiamo è che, nelle stesse unità, i quark up hanno carica +2/3 e i quark down carica -1/3. In questo modo i protoni, costituiti da due quark up e un quark down hanno carica +1, mentre i neutroni, costituiti da due quark down e un quark up hanno carica zero. Invece, a nostra conoscenza, gli elettroni sono oggetti elementari. Dunque le cariche elettriche fondamentali sono tre, -1 per l'elettrone, +2/3 per il quark up e -1/3 per il quark down. Queste tre cariche sono tali da garantire la neutralità della materia. Ci si può chiedere se c'è qualche motivo fondamentale per cui debbano esistere questi tre valori della carica. In effetti ci sono delle teorie, dette di grande unificazione, che prevedono appunto l'esistenza di questi tre valori, ma non sappiamo se queste teorie siano o meno consistenti con tutti i fatti sperimentali. In particolare esse prevedono che il protone possa decadere. In questo caso la materia non sarebbe stabile. Sperimentalmente noi sappiamo che un protone non può decadere prima di un certo tempo molto più lungo dell'età dell'universo, ma è possibile costruire la teoria in modo da soddisfare questo vincolo. Non abbiamo però una prova diretta della validità di queste teorie di grande unificazione.
(prof. Roberto Casalbuoni - Già Docente di Fisica Teorica al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze)
Ultimo aggiornamento
04.05.2023