F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

L’atomo all’inizio del ‘900 L’atomo di Thompson

L’atomo di Rutherford e Bohr

L’atomo quantistico

La struttura del nucleo

Il nucleo oggi

Le forzefondamentali

1029 1040 10431

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !!

BosoneBosonedidi Higgs Higgs

Med

iato

ri d

i M

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tori

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orzeze

Z bosone

W bosone

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Famiglie di Famiglie di

materiamateria

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GravitGravitàà

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Fermioni Bosoni

Il Modello Standard

ATLAS experiment at LHC

Le applicazioni che queste conoscenze hanno reso possibili hanno effetti sempre piu' importanti anche nella vita quotidiana =>

FISICA E SOCIETA’

Fisica e Societa’:Fisica e Societa’:

- fisica e medicina: diagnosi e terapia;- fisica e medicina: diagnosi e terapia;- fisica e l’arte;- fisica e l’arte;- fisica e investigazioni scientifiche;- fisica e investigazioni scientifiche;- fisica e problemi del mondo – es. sminamento;- fisica e problemi del mondo – es. sminamento;- fisica e comunicazioni;- fisica e comunicazioni;- fisica e …di piu’- fisica e …di piu’

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Positron Electron Tomography

Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.

CERNeAthena

Dall’annichilazione di 0.5 g di materia con 0.5 g di antimateria risulta l’energia equivalente con quella della bomba nucleare che ha distrutto Hiroshima

E=mc2

Pero’….al CERN produciamo ~ 107 antiprotoni al secondo; in un grammo di antimateria (anti-idrogeno) ci sono 6x1023 antiprotoni. Risulta che per avere 1g di antimateria ci servono 6x1016 secondi, ovvero 2 miliardi di anni! Piu’ problemi tecnici….

Positron Electron Tomography

Al paziente viene iniettata una sostanza radio-farmacologica (prodotta da un ciclotrone) con una vita media piuttosto breve.

La sostanza iniettata raggiunge l’organo che si vuole visualizzare (cuore, cervello etc…) dove emette positroni l’annichilazione dei positroni con gli elettroni presenti del corpo produce 2 emessi in direzione opposta

La sostanza iniettata raggiunge l’organo che si vuole visualizzare (cuore, cervello etc…) dove emette positroni l’annichilazione dei positroni con gli elettroni presenti del corpo produce 2 emessi in direzione opposta

Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.

Un apparecchiatura PET ha ~ 10.000 rivelatori di

rivaltori BGO di spessore 3 cm

Le risoluzioni spaziali ottenibili con la PET dipendono dal radioisotopo usato ~ 2 mm e 4 mm z

Le risoluzioni spaziali ottenibili con la PET dipendono dal radioisotopo usato ~ 2 mm e 4 mm z

Per ricostruire immagini tridimensionali sono necessari software di ricostruzione molto sofisticati che tengano conto dei fenomeni di diffusione attenuazione falsi eventi.

Per ricostruire immagini tridimensionali sono necessari software di ricostruzione molto sofisticati che tengano conto dei fenomeni di diffusione attenuazione falsi eventi.

Positron Electron Tomography

Immagine di un tumore al seno ottenuta con la tecnica PET, la dimensione della massa tumorale e` di qualche mm= diagnosoi precoce!!!

La PET oggi e` molto diffusa e praticata grazie anche agli enormi progressi fatti nella produzione di cristalli BGO a basso costo da parte degli esperimenti di fisica delle particelle.

La PET oggi e` molto diffusa e praticata grazie anche agli enormi progressi fatti nella produzione di cristalli BGO a basso costo da parte degli esperimenti di fisica delle particelle.

Immagini del cervello

Positron Electron Tomography

La Tomografia Computerizzata

La Tomografia Computerizzata (TC) consente di ricostruire sezioni trasversali del corpo umano.

Source

Detector

Linear scan

Angular scan

Principio di funziomento di un tomografo TC

Hounsfield Units

• Assign calibrated values to gray scale of CT images

• Based on measurements with the original EMI scanner invented by Hounsfield

• Relates the linear attenuation coefficient of a local region to the linear attenuation coefficient of water, W @ 70 keV (=Eeff).

500 2Woriginal original

W

HU HU HU

Evoluzione del Tomografo TCSviluppo di nuovi sistemi, fondati su differenti principi di scansione, nell’intento primario di abbreviare la durata dell’esame.

Sviluppo ed utilizzo di nuovi e più perfezionati componenti al fine di migliorare la qualità dell’immagine.

Impiego di sistemi di calcolo più potenti.

Sviluppo di software applicativi per il post-processing dei dati

Spiral CT• Continuous linear motion of patient table during multiple scans

• Increased coverage volume / rotation

• Pitch: Number of slice thicknesses the table moves during one rotation (typically ~1-2)

pitch

The 3,300-year-old mummy of King Tutankhamun is scanned to assess

the need for restoration and also to attempt to discover the cause of his early death (January

2005)

(Computed Tomography Imaging (CT Scan )

Adroterapia

I melanomi oculari sono curabili quasi esclusivamente con terapie adroniche

I melanomi oculari sono curabili quasi esclusivamente con terapie adroniche

Il trattamento con protoni permette di depositarequantita` di energia controllate direttamente nella regione tumorale

Il trattamento con protoni permette di depositarequantita` di energia controllate direttamente nella regione tumorale

Gli "Adroni" possono essere usati nella terapia di forme tumorali particolari. Infatti portati all’energia giusta da una macchina acceleratrice, sono in grado di danneggiare i tessuti malati soltanto alla fine del loro percorso nel corpo del paziente, in corrispondenza del tumore stesso

AdroterapiaDall'ottobre 2007, l'Italia sarà uno dei pochissimi Paesi al mondo a disporre di una apparecchiatura d'avanguardia per il trattamento dei tumori. Presso Pavia, sorgerà il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (Cnao) che disporrà di un acceleratore di particelle che emette sia protoni che ioni di carbonio realizzato grazie alle conoscenze dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. E' una dimostrazione di come anche la ricerca di base, nel caso particolare quella sulle particelle, è a disposizione dei cittadini e consenta delle "ricadute" applicative in grado di migliorare le terapie per il trattamento di particolari tumori (come quelli del polmone, fegato, prostata e midollo spinale) non curabili con la tradizionale radioterapia. Questa infatti non è in grado di penetrare senza danni fino ad organi che si trovano in profondità nel corpo umano, mentre con gli ioni carbonio si arriva a colpire, con un fascio estremamente preciso (due millimetri), le cellule cancerose fino a profondità di 27-28 centimetri, in pratica in ogni parte dell'organismo.

Adroterapia

Fisica e Societa’:Fisica e Societa’:

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Generalita’ sulle tecniche

Le tecniche analitiche utilizzabili sono rivolte principalmente all’ottenimento di informazioni necessarie agli studi nei campi di seguito elencati, di certo non completamente esaustivi

Autenticita’

Datazione diretta Datazione indiretta

Analisi di provenienza e collocazione storico artistica

Valutazione dello stato di conservazione

Scelta della tecnica piu’ appropriata per il restauro

In linea di massima ogni tecnica nata per lo studio dei materiali puo’ essere applicata in maniera soddisfacente nel campo dell’archeometria purche’ vengano rispettate le esigenze di seguito elencate.

Non distruttivita’ Non invasivita’

Adattabilita’ a varie forme e materiali

Accuratezza quantitativa

Rapidita’ di esecuzione delle misure

Limite di rivelazione piccolo

Sorgente Rivelatore

Manufatto

Il campo di indagine e’ molto vasto:

I materiali lapidei I materiali fittili

I materiali lignei I materiali metallici

I vetri

I dipinti su tela I dipinti su tavola

Gli affreschi

Le pergamene

Esempi di analisi Non Distruttive

• Tecniche fotografiche speciali• Riflettografia IR• Radiografia• Fluorescenza X• Tomografia• Gammagrafia• Termografia• Olografia• Ultrasuoni

Ogni elemento, sottoposto ad una certa radiazione, emette a sua volta un’onda elettromagnetica che ,ordinata per frequenza nello spettro, dà importanti informazioni sull’elemento che l’ha emessa: infatti la radiazione è caratteristica dell’elemento emettitore e dalla misura dell’energia e della quantita' degli X emessi si risale agli elementi presenti nel campione e alla loro concentrazione. Ogni campione produce dunque uno spettro caratteristico. Nello spettro di fluorescenza dell’affresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe) e di oro (Au).

Arte e Fisica

PentimentiLe Sueur – musa Urania (particolare)

Analisi dei pigmentiLeonardo Da Vinci – La Gioconda

Riutilizzo telaRembrandt – Ritratto di giovane uomo Titus

XRF inchiostroRaffaello de Mercatellis

manoscritto n.109

XRF bronzostudio della patina e della lega in vari punti

Cellini - Perseo

Esempio di influenza

della patina

sullo spettro.

XRF bronzi

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Investigazioni scientifiche:(es. RIP di Parma)

Hanno il camice bianco, i guanti di lattice, la mascherina. Ma sotto portano la divisa e i gradi dell'Arma. Sono gli uomini del Racis, il Raggruppamento carabinieri investigazioni scientifiche che operano in tutta Italia sul fronte delle indagini più delicate e dei crimini più efferati. Uomini che sfruttano le moderne tecnologie delle scienza per individuare tracce, analizzare reperti, studiare fino al minimo dettaglio la scena del delitto. Il loro lavoro presuppone una formazione specifica (scientifica) rispetto a quella dei militari tradizionali.

Alla caccia delletracce del sangue

Alla caccia del sangue

Alla caccia del sangue

Strumentazione all’avanguardia

Microscopio elettronico

Microscopio elettronico: polvere da sparo

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Lo sminamento umanitario

Lo sminamento umanitario L’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO.

Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini).

Sminamento “classico” troppo costoso:ispezione del terreno con sensori

di anomalia allarme estrazionee neutralizzazione esplosivo

tempo: > 30 minuticosto: 300-1000 $falsi allarmi: 99 %

Lo sminamento umanitario

Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale) I terreni minati sono ricchissimi di azoto

Il nucleare contro le mine antiuomo

Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto.

Reazione di cattura neutronica: 14N + n 15N + (E=10.8 MeV)

Metodo proposto:• tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot• neutroni da fissione spontanea di 252Cf• rivelazione dell’energia mediante scintillatori• analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni• intervento umano solo dopo la conferma

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Rivelatori oggi (CERN)

Sono figlio della fisica

Ritmo di sviluppo tecnologico

Velocità di sviluppo della tecnologia( legge di MOORE )

Raddoppio ogni 18 mesi

anno

cresc

ita

1995 2000 2005 20202010 2015

10

100

1000

10000

1

Sorgente: Intel e Datapro Reports

Ritmo di sviluppo tecnologico

La crescita esponenziale della potenza di elaborazione dei computer alimenta la crescita di applicazioni che richiedono ampie larghezze di banda

La forbice fra l’aumento della potenza di elaborazione e le capacità di telecomunicazione continua ad allargarsi

200226 400

540850

880

1400

1330

1995 2000 2005 2010 2015

2730

1730

940

446

87

CRESCITA UTENTI COMUNICAZIONI MOBILI

Sorgente: DaimlerChryslerAerospace

Servizi mobili

Servizi multimediali in ambiente MobileSorgente: DaimlerChryslerAerospace

Sorgente: DaimlerChryslerAerospace

Servizi multimediali in ambiente Residenziale

Sistema SatellitareSistema Satellitare

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS) e la relativita’!

1 orbit ~ 12 hours t01 – t01’ ~ 6 10-8 s D ~ 18 m

v = 3.87 Km/s

t01 – t01’ t01

Due to other effects connected to general relativity D ~ 100 m

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Escher, Mani, 1948

Escher, Relativita’ 1953

Escher, Salita e discesa 1960

Domingo Notaro, Occhio Luce Pluriverso 1980

Domingo Notaro, Quasiquasar 1999

Domingo Notaro, Soglia n.2

Scienza(fondamentale)

Le personeConoscenza

utilizzabile

Tecnologie Metodi

Cultura scientifica

Hardware

Sviluppo dellecapacita’ intellettuali

Software

U. Amaldi (2000)

Einstein

“L’esperienza piu’ bella che possiamo avere e’ il mistero. E’ l’emozione fondamentale alla base della vera arte e della vera scienza. Chi non sa cos’e’ e non sa piu’ sognare o meravigliarsi, e’ come morto, e il suo sguardo e’ spento.”