MICROSCOPI

TELESCOPI&

QUESITO arrivano insieme

QUESITO lente convergente e divergente

QUESITO diametro di una lente

QUESITO lente e 2 pricipio della TD

QUESITO lente d'ingrandimento in acqua

Sappiamo tutto sulle lenti?

Il cannocchiale

Il microscopio

I telescopi spaziali

Il cannocchiale di Galileo

I telescopi terrestri

Galileo Galilei

Il cannocchiale

Luna Giove Venere Sole

Galileo non inventa il cannocchiale, ma per gli scienziati del tempo qualunque strumento ottico era privo di interesse, anzi produceva solo illusioni.Galileo ne perfeziona le prestazioni e lo trasforma in un formidabile strumento per l'indagine astronomica.

Il cannocchiale

Gli argomenti degli avversari di Galileo

Galileo

Galileo Galilei

“Il cannocchiale è ingannatore. Gli antichi non ne parlano ed è evidente come, essendo essi molto sapienti, lo dovessero già conoscere e, anzi, ne possedessero di molto più perfezionati di quello di Galileo.”

Galileo

I 4 satelliti di Giove Io, Callisto, Europa e Ganimede scoperti da Galileo Galilei intorno al 1609. Questi satelliti son detti medicei perché Galileo dedicò la scoperta a Cosimo II De Medici.

Gli argomenti degli avversari di Galileo

Galileo

Argomenti degli avversari di Galileo•Dato che gli astrologi, nei loro oroscopi hanno già tenuto conto di tutto ciò che si muove nel cielo, i pianeti medicei ( i satelliti di Giove) se esistessero non servirebbero a niente. Ma tutto quello che esiste serve a qualcosa. Dunque i pianeti medicei non esistono.

• I satelliti di Giove non esistono perché non ci possono essere in cielo più di sette oggetti mobili ( Sole, Luna e i cinque pianeti visibili a occhio nudo), sette come i peccati capitali, i giorni della settimana, le meraviglie del mondo, le piaghe d’Egitto.

Galileo Galilei

Galileo

Galileo è sconvolto.Guarda la Luna dal suo cannocchiale: è montuosa

Disegni di Galileo

Foto scattata dall’Apollo 11

Altre foto

Galileo

Galileo

Galileo

Galileo

Galileo

Galileo scopre le fasi di Venere: questo pianeta, come la

Luna, a volte è pieno a volte è ridotto a una falcettina. Ciò

dimostra che Venere a volte è dietro il Sole, a volte davanti.

Venere porta prove decisive in favore di Copernico.

Le fasi di Venere

Galileo

Le macchie solari sono aree scure di forma irregolare sulla superficie del Sole, che cambiano e si muovono.

Le sue osservazioni portano Galileo a concludere che il Sole ruota su sé stesso. Oggi sappiamo che le macchie solari non sono nubi come affermava Galileo, ma tutto ciò contribuisce a demolire la teoria tolemaica che voleva il Sole astro immutabile e perfetto.

Le macchie solari

Galileo

I TELESCOPITERRESTRI

Telescopio riflettore da 1,5 metri.

I telescopi ottici si dividono in due classi:i rifrattori e i riflettori

Telescopio rifrattore

Telescopio di monte Wilson

Il telescopio del Monte Wilson, da 2,5 metri, fu usato da Edwin Hubble per provare l'esistenza delle galassie, e per analizzare il loro spostamento verso il rosso.

Very Large Telescope

4 telescopi di 8 metri di diametro costruito nel deserto di Atacama in Cile

Specchio del telescopio

Telescopi Keck

Sul vulcano Mauna Kea nelle Hawaii a 4145 m.Hanno specchi da 10 m di diametro formati da 36 tasselli esagonali.

Lavorano sulle frequenze radio degli oggetti celesti, compiendo osservazioni in questo settore dell'astronomia che presenta il vantaggio di non dipendere né dalle condizioni meteorologiche, né dall'alternanza giorno-notte.

I radiotelescopi sono antenne radio con il detector che raccoglie il segnale radio posto nel fuoco.

Radiotelescopio di Arecibo (isola di Porto Rico)

E’ il più grande radiotelescopio con un antenna di 305 m.Dal 1999 raccoglie dati anche per il progetto SETI.

Very Large Array (New Mexico)

27 antenne paraboliche di diametro 26 m, disposte lungo tre bracci.

I TELESCOPISPAZIALI

24/04/1990: lancio con lo Space Shuttle Discovery HUBBLE NASA-ESA

E’ un telescopio posto negli strati esterni dell'atmosfera terrestre, a circa 600 km di altezza, in orbita attorno alla Terra (ogni orbita dura circa 100 minuti).

Massa : 11 tLunghezza: 13,2 mSpecchio: 2,4 m

Le prime immagini prese dal telescopio erano fortemente distorte e fuori fuoco.

Il problema fu risolto durante la prima missione di servizio, che installò un'ottica correttiva e restituì al telescopio la qualità ottica prevista in origine.

Si trovò che la Hughes corporation aveva lavorato lo specchio principale senza tener conto che sarebbe stato usato nel vuoto e non in aria.

Per vedere la riparazione dell’ Hubble clicca qui e apri i file “EVA Hubble.gvi”.

Osservare fuori dall'atmosfera comporta numerosi vantaggi, perché l'atmosfera distorce le immagini e filtra la radiazione elettromagnetica a certe lunghezze d'onda, in particolare nell'infrarosso.

In 15 anni di carriera Hubble ha ripreso più di 700.000 immagini astronomiche.

Scoperte•Hubble riprese eccezionali immagini della collisione della cometa Shoemaker-Levy 9 con il pianeta Giove nel 1994.

Otto zone di impatto su Giove della cometa Shoemaker-Levy, spezzata in piu' di 20 frammenti dalla forza mareale del pianeta. I frammenti sono precipitati in successione nell'atmosfera gioviana provocandovi delle 'macchie' con aloni che si sono estesi per migliaia di km. Il materiale scuro era composto prevalentemente da metano.

La cometa suddivisa in 21 frammenti, destinati a cadere su Giove

Scoperte•Prove del fatto che dei pianeti siano presenti anche attorno a stelle diverse dal Sole sono state raccolte per la prima volta con Hubble.

Questa immagine ottenuta dall'Hubble, che lavora nel vicino infrarosso, mostra il sistema TMR-1 di giovani stelle doppie (al centro) e rivela una lunga e sottile nebulosa che punta verso un oggetto (in basso a sinistra) che potrebbe rappresentare il primo pianeta extrasolare ad essere osservato direttamente.

Scoperte•Inoltre Hubble ha dimostrato che la materia oscura della nostra galassia non può essere formata solo da deboli stelle non ancora osservate.

Determinare la natura e l'ammontare della materia oscura è un obiettivo fondamentale delle ricerche astrofisiche: se la sua massa complessiva non è abbastanza grande l’universo continuerà ad espandersi per sempre, viceversa un campo gravitazionale abbastanza intenso arresterà l'espansione e indurrà l'universo ad un collasso su se stesso.

15 novembre 1994

La misteriosa materia oscura, qualunque cosa essa sia, non può essere costituita dalle stelle nane rosse: questa è la conclusione alla quale sono giunti, indipendentemente, i due team utilizzando il telescopio spaziale Hubble.

La Via Lattea

Scoperte•Alcune osservazioni suggeriscono che il nostro Universo si trovi in uno stato di espansione accelerata.

Due galassie spirali si sfiorano

La nebulosa di Orione

Una galassia a spirale

Scoperte•La teoria che la maggior parte delle galassie contengono un buco nero nel loro nucleo è stata parzialmente confermata da numerose osservazioni.

Hubble ha scoperto un buco nero di 1,2 milioni di masse solari, con annesso disco di accrescimento largo 800 anni luce, all'interno della galassia NGC4261 distante 100 milioni di anni luce in direzione della Vergine. La sicurezza con cui gli astronomi hanno accolto la scoperta è espressa dalla frase "la questione ora non è se i buchi neri esistano oppure no, piuttosto se tutte le galassie contengono un buco nero".

23/07/1999: lancio sullo Space Shuttle Columbia

Altri telescopi spaziali:CHANDRA NASATelescopio a raggi x

Prende il nome dal fisico statunitense di origine indiana Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995).

Nel 2006, Chandra ha evidenziato le prime prove dirette dell'esistenza della materia oscura.

10/12/1999: lancio su Ariane V

XMM/Newton ESA

Lunghezza telescopio : 10 metriLunghezza pannelli solari: 16 metri

Telescopio a raggi x

I MICROSCOPI

Il microscopio otticoIl microscopio ottico fu studiato e realizzato da Galileo in baseall’interazione della luce con la materia secondo le leggi dell’ottica geometrica.

Ingrandimenti max: 1000Risoluzione max : R = 0.2 m

La risoluzione del microscopio ottico è limitata dal fenomeno della diffrazione della luce.

Microscopio elettronicoa trasmissione (TEM)

a scansione (SEM)

Invece di sfruttare l’interazione luce – materia, si sfrutta l’interazione elettroni – materia.

Questo permette di sormontare i limiti della diffrazione, di cui soffrono i microscopi ottici, perché il meccanismo di formazione dell’immagine ingrandita è del tutto differente.

Microscopio (TEM)

Interazione degli elettroni con la materia

URTO E RIFLESSIONE

URTOURTO

URTO

URTO E LIBERAZIONE DI UN ELETTRONE SECONDARIO

ELETTRONE INCIDENTE (PRIMARIO)

ELETTRONE PRIMARIO RETRODIFFUSO

ELETTRONE SECONDARIO

EMESSO

Un elettrone può penetrare in un materiale, se ha sufficiente energia.Questo elettrone interagisce con gli atomi e gli elettroni di cui è composto il materiale, tramite urti.Talvolta, a causa di un urto, l’elettrone (primario) può cedere una tale quantità di energia alle particelle con cui interagisce, da consentire ad alcuni degli elettroni appartenenti agli atomi del materiale di rompere i vincoli che lo legano ad esso e di muoversi.Questi elettroni (secondari) possono quindi uscire dal materiale

GLI ELETTRONI SECONDARI POSSONO FORNIRE INFORMAZIONI PER COSTRUIRE UN’IMMAGINE DEL CAMPIONE. COME?

Gli elettroni secondari forniscono informazione

La quantità di elettroni emessi dipende dal modo con cui il fascio primario interagisce col campione.La profondità di provenienza degli elettroni secondari è dell’ordine dei 10 nm

ELETTRONE SECONDARIO –

+

–

RIVELATORE DI ELETTRONI

MISURATORE DI CORRENTE

Gli elettroni secondari possono essere raccolti e la corrente associata può essere misurata.

Il microscopio SEM

Un esempio di immagine SEM

Diamante CVD realizzato presso l’istituto IMIP del CNR di Montelibretti

Il SEM restituisce un’immagine in toni di grigio che non corrispondono al colore reale del campione, ma che rendono conto della sua morfologia superficiale e delle sue proprietà atomiche locali

Immagini SEM

formica

moscerino

occhio del moscerino

Occhio di Euphasia

polline

sangue umano

Effetto TunnelLa corrente elettrica è trasportata in generale da particelle cariche (elettroni).La corrente elettrica è trasportata in generale da particelle cariche (elettroni).All’interno di materiali conduttori, come i metalli, gli elettroni hanno la All’interno di materiali conduttori, come i metalli, gli elettroni hanno la possibilità di muoversi liberamente sotto l’azione di una tensione applicata.possibilità di muoversi liberamente sotto l’azione di una tensione applicata.Se si hanno due conduttori ravvicinati, tra cui è imposta una tensione Se si hanno due conduttori ravvicinati, tra cui è imposta una tensione VV, lo , lo spazio non conduttore tra di essi costituisce una barriera per il passaggio di spazio non conduttore tra di essi costituisce una barriera per il passaggio di elettroni (corrente).elettroni (corrente).

Tuttavia se la separazione tra I due conduttori è molto piccola (< 10 mm), c’è Tuttavia se la separazione tra I due conduttori è molto piccola (< 10 mm), c’è una certa probabilità che gli elettroni possano una certa probabilità che gli elettroni possano PASSARE ATTRAVERSO LA PASSARE ATTRAVERSO LA BARRIERABARRIERA dando luogo a un flusso di corrente (effetto Tunnel) dando luogo a un flusso di corrente (effetto Tunnel)

SE SI ELIMINA LA BARRIERA,PASSA CORRENTE

Applicazione dell’effetto Tunnel: STMSe si mantiene costante la tensione Se si mantiene costante la tensione VV tra i due conduttori, tra i due conduttori,■ Aumentando la loro distanza, diminuisce la corrente ■ Aumentando la loro distanza, diminuisce la corrente II■ Diminuendo la loro distanza, aumenta la corrente ■ Diminuendo la loro distanza, aumenta la corrente II

Se si conosce come varia la corrente tra i due conduttori in funzione della loro Se si conosce come varia la corrente tra i due conduttori in funzione della loro distanza, alloradistanza, alloramisurando la corrente misurando la corrente II si può ottenere una misura precisa della distanza. si può ottenere una misura precisa della distanza.

Perchè non applicare questo effetto in microscopia?Perchè non applicare questo effetto in microscopia?

Se uno dei due conduttori è una punta di dimensioni piccolissime, tenuta separata dalla Se uno dei due conduttori è una punta di dimensioni piccolissime, tenuta separata dalla superficie di un campione conduttivo,superficie di un campione conduttivo,misurando la corrente circolante per effetto Tunnel si può conoscere la distanza della misurando la corrente circolante per effetto Tunnel si può conoscere la distanza della punta dal punto del campione immediatamente sottostantepunta dal punto del campione immediatamente sottostante

PUNTA METALLICA

CAMPIONE CONDUTTIVO

1 2Si può eseguire una scansione (in modo Si può eseguire una scansione (in modo analogo al SEM) facendo muovere lateralmente analogo al SEM) facendo muovere lateralmente la punta sopra il campione e misurando la la punta sopra il campione e misurando la corrente per ogni posizione della punta:corrente per ogni posizione della punta:■ Posizione 1: piccola ■ Posizione 1: piccola dd, grande corrente, grande corrente■ ■ Posizione 2: grande Posizione 2: grande dd, piccola corrente, piccola correnteSU QUESTO PRINCIPIO SI BASA IL SU QUESTO PRINCIPIO SI BASA IL MICROSCOPIO STM (SCANNING TUNNEL MICROSCOPIO STM (SCANNING TUNNEL MICROSCOPE)MICROSCOPE)

Binnig e Roher

Gerd Binnig e Heinrich Rohrer sono gli ideatori del microscopio STM.

Vinsero il premio Nobel per la fisica nel 1986, anno in cui Binnig sviluppò il microscopio AFM.

Immagini STM

Risoluzione atomica della microscopia STM

Immagine di un piano di grafite.

I rilievi chiari corrispondono ai singoli atomi di carbonio e sono separati da una distanza di 3.35 Å. È ben distinguibile la cella esagonale del cristallo.

Atomo di Xenonsu superficie di nickel

È possibile manipolare i singoli atomi e disporli in forme “innaturali”.Atomi di Xenon su rame.

Manipolazione di nanostruttureIl microscopio STM può interagire col campione mediante una Il microscopio STM può interagire col campione mediante una sonda solida, che può produrre azioni meccaniche su di esso.sonda solida, che può produrre azioni meccaniche su di esso.Questa particolarità consente di aprire nuove frontiere Questa particolarità consente di aprire nuove frontiere tecnologiche perchè dà la possibilità di manipolare singoli tecnologiche perchè dà la possibilità di manipolare singoli atomi.atomi.

Nel 1990 D. M. Eigler e E. K. Schweizer produssero la scritta “IBM” utilizzando 35 atomi di Xeno su un substrato di Nichel, utilizzando un microscopio STM.

Eigler e Schweizer depositarono atomi di Xeno (che è un gas nobile e quindi non forma legami) su un substrato di Nichel. Naturalmente questi atomi erano disposti casualmente sulla superficie, mantenuta a -270°C in maniera da impedire agli atomi di Xeno di muoversi.

Per spostare un atomo, la punta STM viene abbassata fino ad arrivare in prossimità di esso. Le forze di van der Waals agiscono sia tra punta-Xeno che tra Xeno-Nichel. Allorchè la punta viene spostata lateralmente (come per eseguire una scansione), l’atomo di Xeno la segue in quanto la forza di van der Waals tende a farlo rimanere in prossimità della punta. L’atomo può quindi essere posizionato arbitrariamente.

PUNTA STM

XENO

NICHEL

ATTRAZIONE XENO-PUNTA

ATTRAZIONE XENO-NICHEL

SPOSTAMENTO

COME È POSSIBILE MUOVERE GLI ATOMI?COME È POSSIBILE MUOVERE GLI ATOMI?

Atomi di ferro su rame

Nanoscrittura con microscopia a sonda. Sopra un'immagine STM di atomi di Fe su una superficie di Cu disposti a comporre l’ideogramma giapponese Kanji che può essere tradotto 'atomo‘.

Verifica della interferenza delle onde di probabilità della meccanica quantistica.