Rivelare particelle elementari con una camera a nebbia fatta in casa Teach article

Tradotto da Giulio Sinno – Liceo Scientifico L. Mossa - Olbia. La fisica delle particelle è ritenuta materia per i grandi laboratori di fisica, inaccessible all’uomo della strada. Francisco Barradas- Solas e Paloma Alameda-Meléndez ci dimostrano – con l’aiuto di un rivelatore di…

Raggi alfa vengono emessi
da una sorgente di polonio
con traiettorie a forma di
fiore al centro di una camera
a nebbia. Le particelle
vengono rese visibili
mediante vapori di alcol che
diffondono da un’area a
temperatura ambiente ad una
a temperatura di –78°C.
Questa foto risale al 1957.
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Immagine di dominio pubblic;
fonte: Wikimedia Commons

L’obiettivo della fisica delle particelle elementari è trovare i più piccoli mattoni con i quali è fatta qualsiasi cosa al mondo e di studiare il comportamento di questi mattoncini. Sebbene sia un pilastro fondamentale del sapere scientifico, la fisica delle particelle è spesso trascurata o poco compresa nelle scuole, forse perché essa non sembra avere a che fare con i fenomeni che ci appaiono nella vita quotidiana. Invece, i fisici delle particelle fanno misure e rivelano elettroni, fotoni o muoni con la stessa familiarità con la quale potrebbero contare mucche, tavoli o areoplani. Inoltre i rivelatori di particelle (come ad esempio gli scanner della PET) sono usati quotidianamente dai fisici sanitari per scoprire tumori e monitorare le funzioni degli organi interni.

Qui mostreremo come è possibile “dare vita” alla fisica delle particelle in classe usando probabilmente il tipo di rivelatore di particelle più semplice: una camera a nebbia a sensibilità continua. Questa versione costruita in casa consiste di una semplice vaschetta per pesci sigillata, riempita di aria e vapori di alcol, raffreddata a temperatura molto bassa, che riesce a rivelare particelle, in particolare muoni da raggi cosmici particolarmente energetici.

Le particelle elementari

Le particelle elementari sono i costituenti ultimi della materia. Esse non sono proprio come dei mattoni cementati insieme, ma danno luogo a interazioni reciproche (per maggiori dettagli sulle particelle elementari si suggerisce Landua & Rau, 2008). Queste particelle sono dotate di energia e quantità di moto e perciò possono essere “viste” dai rivelatori. In realtà sappiamo che non si possono vedere direttamente, il loro passaggio attraverso il rivelatore è dedotto dagli effetti che esso causa come, ad esempio, la ionizzazione nel caso di particelle cariche. Immaginiamo di osservare la scia di condensazione lasciata da un aereo che non riusciamo a scorgere in cielo: allo stesso modo riusciremo a rivelare la particella con la nostra camera a nebbia artigianale.

Camera a nebbia a diffusione a sensibilità continua

Schema di una camera a
nebbia a diffusione continua

Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas

Questa camera a nebbia è fondamentalmente un contenitore a tenuta d’aria riempito con una mistura di aria e vapore d’alcol. L’alcol liquido evapora da un serbatoio e si diffonde attraverso l’aria della camera. Raffreddando la base con del ghiaccio secco (ghiaccio di anidride carbonica che è ad una temperatura costante di –79 °C mentre sublima) si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo la verticale. In questo modo si forma sul fondo una zona di vapore d’alcol sovrasatura. Lo strato sensibile è instabile: ha una quantità di vapore d’alcol freddo in misura maggiore di quella che può mantenere. Il processo di condensazione scatta al passaggio della particella carica con energia sufficiente a ionizzare atomi lungo il suo cammino. Questi ioni sono i nuclei di condensazione attorno ai quali le goccioline di liquido formano una scia.

Istruzioni di realizzazione ed uso

Materiali

Disegno in sezione della
camera a nebbia. Cliccare
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Immagine per gentile
concessione di Francisco
Barradas Solas
  • Contenitore di vetro o plastica trasparente a pareti dritte (ad esempio un acquario o vaschetta per pesci) con una base che misuri circa 30 cm x 20 cm, e altezza circa 20 cm (possono essere usate altre dimensioni ma i risultati possono variare)
  • Lastra di alluminio (spessa circa 1 mm, come la base dell’acquario)
  • Un vassoio a fondo basso un po’ più ampio della base della vaschetta
  • Due lampade o torce elettriche, una di potenza particolarmente alta
  • Strisce di feltro (larghe circa 3 cm e abbastanza lunghe da poterle attaccare lungo l’interno dell’acquario, cioè un po’ più di un metro)
  • Colla (non solubile in alcol)
  • Nastro isolante nero
  • Alcol isopropilico
  • Ghiaccio secco
La camera. Cliccare
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Immagine preparata da Alberto
Izquierdo; Immagine per
gentile concessione di
Francisco Barradas Solas

Montaggio

  1. Incollare una striscia di feltro (questa fungerà da serbatoio di alcol) attorno agli spigoli interni sul fondo dell’acquario. Un po’ di feltro può essere incollato anche sul fondo.
  2. Usare nastro adesivo isolante per stringere la lastra di alluminio sul bordo dell’acquario, sigillando la camera cosicché sia a tenuta d’aria. Questa è la fase più critica e tale operazione deve essere fatta con cura perché la giuntura diventerà umida e molto fredda durante il funzionamento della camera a nebbia.
  3. Girare sottosopra l’acquario sulla lastra di alluminio. Fare in modo che la superficie nera sia rivolta verso l’alto (sul fondo nero le tracce delle particelle saranno visibili più facilmente).
  4. Inzuppare il feltro con alcol isopropilico (ma non così tanto da far gocciolare il liquido sul fondo).
  5. Avvertenza: operare in luogo ben areato e ricordare che l’alcol è infiammabile.
  6. Tagliare la lastra di alluminio di dimensioni tali che si adatti alla superficie superiore dell’acquario e ricoprine una faccia con nastro isolante formando una superficie nera.
  7. Predisporre uno strato piatto di ghiaccio secco sul vassoio e poggiare sopra la camera, assicurandosi che la base sia orizzontale. Per ottenere un contatto termico uniforme tra il ghiaccio e la lastra metallica evitare di utilizzare pezzi grossi di ghiaccio: l’uso di lastre o polvere di ghiaccio sarebbe l’ideale, ma anche ghiaccio secco sotto forma di piccoli grani può andare bene.
    Avvertenza: Dry ice is around –79 ºC and should only be handled using thick gloves.
  8. Mantenere la parte superiore della camera tiepida per esempio irraggiando luce con una lampada. Evitare di effettuare l’esperimento in un ambiente freddo perché potrebbe impedire il formarsi di un appropriato gradiente termico, non permettendo la visibilità delle tracce.
  9. Lasciare la camera immobile per circa 10 minuti affinché si stabilizzi il gradiente di temperatura. Illuminare con una luce intensa la camera con una direzione a bassa inclinazione. Ad una prima occhiata dovreste vedere semplicemente una nebbiolina di alcol che cade, ma gradualmente dovrebbero apparire le tracce delle particelle cariche come condensazioni filiformi nella nebbiolina. Nota: le tracce sono più visibili in una stanza buia.
Tracce della radiazione
ionizzante in una camera a
nebbia (traccia spessa e
corta: particella alfa; traccia
lunga e sottile: particella
beta)

Immagine per gentile
concessione di Bionerd; fonte:
Wikimedia Commons

Sebbene qualsiasi particella carica con sufficiente energia, per esempio proveniente da un ambiente radioattivo, può lasciare la sua scia nella camera, la maggior parte delle tracce saranno prodotte da raggi cosmici secondari: cioè da quelle particelle create quando altre particelle (per la maggior parte protoni) arrivando dallo spazio esterno colpiscono la parte più alta dell’atmosfera. I raggi cosmici secondari viaggiano a velocità prossime a quella della luce e sono assorbiti dall’atmosfera o decadono in volo dando luogo a nuove particelle fra cui i muoni, che possono raggiungere la superficie della terra e che sono facilmente rivelabili. I muoni sono particelle elementari cariche molto simili agli elettroni tranne che per la loro massa che è circa duecento volte maggiore.

Cosa possiamo fare con la camera?

Raggi cosmici. Cliccare
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Immagine preparata da Alberto
Izquierdo; Immagine per
gentile concessione di
Francisco Barradas Solas

In generale perché la camera sia realmente utile non possiamo limitarci a mostrarla e a descriverne il suo funzionamento. Per chiarire ulteriormente la spiegazione abbiamo preparato una breve striscia di vignettew1 (vedi sotto), in cui si vede come funziona la camera e si spiega la composizione dei raggi cosmici attraverso la storia di un protone cosmico e i suoi discendenti.

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Tratta dalla striscia sulle
camere a nebbia; Immagine per
gentile concessione di Paloma
Alameda-Meléndez

Abbiamo usato la camera nelle scuole con studenti dai 12 ai 16 anni nell’ambito di una iniziativa per fargli comprendere che le particelle sono oggetti reali. Osservare le scie delle particelle invisibili paragonandole con le scie lasciate dai jet (c’è molta fisica in comune) è un primo passo in un processo che continuiamo introducendo dati reali, foto dalla fisica delle alte energie e domande ed esercizi standardw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) e che concludiamo con un altro dispositivo per utilizzo didattico più complicato: un rivelatore a scintillazione per raggi cosmici che permette agli studenti, da soli, di registrare e studiare i dati (Barradas-Solas, 2007).

Perché non usare il forum di discussione online di Science in School per scambiare idee su come usare la camera a nebbia a scuola? Vedere: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare la Dott.ssa Eleanor Hayes, redattore capo di Science in School, per la sua assistenza nell’aver dato la forma finale all’articolo.

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References

Web References

Resources

  • Per una breve e semplice introduzione rivolta a un pubblico generico consultare:
  • Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780192804341
  • Un tour interattivo online del Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, ‘The Particle Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org
  • Il centro per visitatori virtuali dello SLAC National Accelerator Laboratory (in particolare le sezioni su teoria, rilevazione e raggi cosmici): www2.slac.stanford.edu/vvc
  • Il sito web del CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html
  • Per una discussione su come alcune grandi questioni avranno risposta dal Large Hadron Collider del CERN consultare:
  • Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-47. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow
  • Per una introduzione più dettagliata ma accessibile rivolta a persone con una formazione scientifica e matematica raccomandiamo:
  • Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971
  • Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press. ISBN: 0691009260
  • Il testo di Treiman è uno dei migliori per cominciare ad affrontare le sottigliezze della meccanica quantistica nella fisica delle particelle (che noi abbiamo evitato in questo articolo) comprese le particelle instabili e virtuali e la relazione campo-particella.
  • Per saperne di più sui raggi cosmici, consultare NASA’s Cosmicopia: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
  • Noi e tanti altri hanno imparato sulla realizzazione delle camere a nebbia dal sito di Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
  • Il sito web del Museo Americano di Storia Naturale comprende una versione illustrata delle fasi principali di assemblaggio delle camere a nebbia: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
  • Non è facile spiegare in dettaglio i processi di sovrasaturazione e la formazione delle scie o giustificare la scelta del liquido attivo (l’alcol isopropilico nel nostro caso), come essi dipendono in maniera complessa, per esempio, dalla energia di ionizzazione, dalla pressione di vapore, dalla velocità di diffusione e i vari aspetti ingegneristici della camera. Se volete approfondire questi argomenti potete consultare la bibliografia supplementare: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Un articolo di Science in School descrive come misurare la radioattività del radon in casa:
  • Budinich M, Vascotto M (2010) The ‘Radon school survey’: measuring radioactivity at home. Science in School 14: 54-57. www.scienceinschool.org/2010/issue14/rado

Author(s)

Francisco Barradas-Solas è laureato in fisica e insegna fisica e chimica nella scuola secondaria, sebbene sia attualmente in congedo lavorando come consigliere scientifico presso l’autorità regionale dell’istruzione di Madrid in Spagna. Uno dei suoi interessi principali è l’introduzione della fisica delle particelle nelle scuole e ha preso parte in molti progetti per insegnanti organizzati al CERN.

Paloma Alameda-Meléndez è laureata in chimica e insegna chimica e fisica alla Scuola Secondaria del comune di El Álamon vicino Madrid.


Review

I raggi cosmici sono particelle subatomiche che provengono dallo spazio e collidono con l’atmosfera terrestre, creando una pioggia di particelle secondarie che possono essere studiate sulla superficie terrestre. Gli studenti delle scuole secondarie hanno, di solito, soltanto la possibilità di studiare le particelle elementari leggendo libri o facendo delle simulazioni, nonostante le particelle attraversino costantemente il loro corpo.

Qui Francisco Barradas-Solas e Paloma Alameda-Meléndez presentano l’idea che le camere a nebbia possono essere usate dagli studenti come uno strumento sperimentale che permette loro di condurre studi sulle radiazioni. Essi forniscono inoltre dettagli sulla costruzione di una camera a nebbia, dispositivo che può essere costruito a scuola senza troppa difficoltà e che permette agli studenti di rivelare le particelle subatomiche in classe osservando le tracce da esse prodotte.


Vangelis Koltsakis, Grecia




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