Un interessante ebook di fisica moderna

22 06 2014

     Sul sito Matematicamente.it è possibile scaricare un ebook di fisica per le scuole superiori, distribuito gratuitamente con licenza creative commons BY-ND. Il testo è stato realizzato dal prof. Giovanni Organtini ed è nato dall’esperienza delle lezioni per gli studenti dei licei sulla fisica delle particelle, tenute dall’autore nell’ambito del Piano Lauree Scientifiche.

Riporto l’indice, gli interessati troveranno maggiori informazioni sul sito Matematicamente.it  oppure nel manuale, distribuito in più versioni.

Prefazione 
I Fisica Moderna
1 La teoria della Relatività Ristrett
1.1 Le trasformazioni di Lorentz
1.2 La dilatazione del tempo
1.3 Contrazione della lunghezza
1.4 Composizione delle velocità
1.5 I quadrivettori
1.6 Il quadrivettore energia–impulso
1.7 Acceleratori e collider

2 La Relatività Generale
2.1 La misura nei vari sistemi di riferimento
2.2 Il principio di equivalenza
2.3 la geometria dell’Universo
2.4 Effetti gravitazionali sul tempo

3 La Meccanica Quantistica 
3.1 Il corpo nero
3.2 L’effetto fotoelettrico
3.3 L’effetto Compton
3.4 La misura e il Principio d’indeterminazione 
3.5 Onde di materia
3.6 Gli atomi
3.6.1 Gli spettri atomici
3.7 Quantizzazione del momento angolare 
3.8 Lo spin degli elettroni
3.9 Il Principio di Pauli
3.9.1 La chimica
3.9.2 Semiconduttori
3.9.3 Il diodo
3.9.4 Il transistor
3.10 L’equazione di Schrödinger
4 Una storia esemplare 
4.1 La scarica degli elettroscopi
4.2 La scoperta dei raggi cosmici
4.3 Caratteristiche dei raggi cosmici
5 Chi l’ha ordinato? 
5.1 Particelle penetranti
5.2 L’ipotesi del neutrino
5.3 L’antimateria
5.4 La scoperta del muone
5.5 La scoperta del pione
5.6 La lambda e i mesoni K
6 I nuovi numeri quantici 
6.1 I leptoni
6.2 I barioni
6.3 I mesoni
6.4 Gli adroni
6.5 Classificazione in base allo spin
7 Imitare la Natura 
7.1 Gli acceleratori di particelle
8 Studiare le particelle 
8.1 Sezione d’urto
8.2 Vita media
9 Le risonanze 
9.1 Urti tra particelle
9.2 La massa invariante
10 Le particelle strane 
10.1 I decadimenti della 
10.2 Produzione associata
11 Il Modello a Quark 
11.1 Tre nuove Tavole Periodiche
11.2 L’ipotesi dei quark
11.3 L’ottetto di mesoni
11.4 L’ottetto di barioni
11.5 Quark colorati
12 Il Modello Standard 
12.1 I costituenti della materia
13 Campi e Particelle 
13.1 Le forze fondamentali
13.2 Una rivisitazione del concetto di energia
13.3 L’energia delle interazioni tra particelle 
13.4 Altri processi
13.5 L’antimateria
13.6 La produzione delle particelle strane 
13.7 L’interazione debole
14 Il bosone di Higgs 
14.1 Richiami sul concetto di energia
14.2 Campi autointeragenti
14.3 Sul significato dell’energia
14.4 L’introduzione della relatività
14.5 Il Meccanismo di Higgs
14.6 Sulla forma del potenziale di Higgs 
14.7 Campi massivi
14.8 La massa dei bosoni vettori
Appendice, Approssimazione di funzioni, Equazioni differenziali a variabili separabili,
Unità naturali, Soluzione degli esercizi.

Un ringraziamento all’autore, per il prezioso contributo alla divulgazione e formazione scientifica: prof. Giovanni Organtini, “Sapienza”, Università di Roma, Dip.to di Fisica, P.le Aldo Moro, 2   – 00185 ROMA –

FISICA MODERNA – paperbook (13 MB), versione paperbook per la stampa, senza video

FISICA MODERNA – portrait (137 MB), versone portrait

FISICA MODERNA – versione landscape (137 MB), versione Landscape, completa per laptop e tablet.

 




La “Tecnologia pervasiva” all’esame di Stato

19 06 2014

     Secondo un’indagine del Ministero dell’Istruzione, svolta su un campione di 400 istituti scolastici, la prova di italiano svolta ieri scelta dal maggior numero di candidati (circa il 30%) è stato il saggio breve sulla “Tecnologia pervasiva”, dell’ambito tecnico-scientifico. È stata la più scelta in tutti i percorsi di studio, ad eccezione dell’istruzione artistica.

Riporto i quattro documenti relativi al saggio richiesto.

     1. «Anche la Silicon Valley ha la sua religione. E potrebbe presto diventare il paradigma dominante tra i vertici e gli addetti ai lavori della culla dell’innovazione contemporanea. È il «transumanismo» e si può definire, scrive il saggista Roberto Manzocco in “Esseri Umani 2.0” (Springer, pp. 354), come «un sistema coerente di fantasie razionali parascientifiche», su cui la scienza cioè non può ancora pronunciarsi, «che fungono da risposta laica alle aspirazioni escatologiche delle religioni tradizionali». Per convincersene basta scorrerne i capisaldi: il potenziamento delle nostre capacità fisiche e psichiche; l’eliminazione di ogni forma di sofferenza; la sconfitta dell’invecchiamento e della morte. Ciò che piace ai geek della Valley è che questi grandiosi progetti di superamento dell’umano nel “post-umano” si devono, e possono, realizzare tramite la tecnologia. E tecniche, la cui fattibilità è ancora tutta da scoprire, come il “mind uploading”, ossia il trasferimento della coscienza su supporti non biologici, e le “nanomacchine”, robot grandi come virus in grado di riparare le cellule cancerose o i danni da malattia degenerativa direttamente a livello molecolare.» Fabio CHIUSI, TRANS UMANO la trionferà, “l’Espresso” –6 febbraio 2014

     2. «Lord Martin Rees, docente di Astrofisica all’Università di Cambridge e astronomo della Regina, la vede un po’ diversamente: i robot sono utili per lavorare in ambienti proibitivi per l’uomo – piattaforme petrolifere in fiamme, miniere semidistrutte da un crollo, centrali in avaria che perdono sostanze radioattive –oltre che per svolgere mestieri ripetitivi. Ma devono restare al livello di «utili idioti: la loro intelligenza artificiale va limitata, non devono poter svolgere mestieri intellettuali complessi». L’astronomo della Corte d’Inghilterra, occhi rivolti più alle glorie del passato che alle speranze e alle incognite di un futuro comunque problematico, propone una ricetta che sa di luddismo. Una ricetta anacronistica ed estrema che si spiega con l’angoscia che prende molti di noi davanti alla rapidità con la quale la civiltà dei robot – della quale abbiamo favoleggiato per decenni e che sembrava destinata a restare nei libri di fantascienza – sta entrando nelle nostre vite. Che i robot stiano uscendo dalle fabbriche lo sappiamo da tempo: il bancomat è un bancario trasformato in macchina, in servizio notte e giorno. In molti supermercati il cassiere non c’è più, sostituito da sensori, lettori di codici a barre, sistemi di pagamento automatizzati. In Giappone e Francia si moltiplicano treni e metropolitane guidate da un computer (è così la nuova Linea 5 della metropolitana di Milano), così come tutti i convogli che si muovono all?interno dei grandi aeroporti del mondo sono, ormai, senza conducente.» Massimo GAGGI, E il robot prepara cocktail e fa la guerra, “Corriere della Sera. la Lettura” – 26 gennaio 2014.

     3. «Per molto tempo al centro dell’attenzione sono state le tecnologie e gli interrogativi che si portano dietro: «Meglio i tablet o i netbook?», «Android, iOs o Windows?», seguiti da domande sempre più dettagliate «Quanto costano, come si usano, quali app…». Intanto i docenti hanno visto le classi invase da Lim, proiettori interattivi, pc, registri elettronici o tablet, senza riuscire a comprendere quale ruolo avrebbero dovuto assumere, soprattutto di fronte a ragazzi tecnologicamente avanzati che li guardavano con grandi speranze e aspettative. Per gli studenti si apre una grande opportunità: finalmente nessuno proibisce più di andare in internet, di comunicare tramite chat, di prendere appunti in quaderni digitali o leggere libri elettronici.» Dianora BARDI, La tecnologia da sola non fa scuola, “Il Sole 24 ORE. Nòva” –12 gennaio 2014.

     4. «Passando dal tempo che ritorna al tempo che invecchia, dal tempo ciclico della natura regolato dal sigillo della necessità al tempo progettuale della tecnica percorso dal desiderio e dall’intenzione dell?uomo, la storia subisce un sussulto. Non più decadenza da una mitica età dell’oro, ma progresso verso un avvenire senza meta. La progettualità tecnica, infatti, dice avanzamento ma non senso della storia. La contrazione tra “recente passato” e “immediato futuro”, in cui si raccoglie il suo operare, non concede di scorgere fini ultimi, ma solo progressi nell?ordine del proprio potenziamento. Null’altro, infatti, vuole la tecnica se non la propria crescita, un semplice “sì” a se stessa. L’orizzonte si spoglia dei suoi confini. Inizio e fine non si congiungono più come nel ciclo del tempo, e neppure si dilatano come nel senso del tempo. Le mitologie perdono la loro forza persuasiva. Tecnica vuol dire, da subito, congedo dagli dèi.» Umberto GALIMBERTI, Psiche e techne. L’uomo nell’età della tecnica, Feltrinelli, Milano 2002.

Credit immagini: 1.  www.csd.cs.cmu.edu  e 2. www.linkedstrategies.com

 




Si costruirà il deposito nazionale dei rifiuti radioattivi?

15 06 2014

     Sono trascorsi quasi trent’anni dal referendum popolare che ha deciso la chiusura delle poche centrali nucleari italiane e la sospensione di ulteriori ricerche per il settore nucleare. Ma il referendum non ha risolto il problema delle scorie radioattive: l’Italia ormai ne ha accumulate circa 90.000 m3, in parte derivanti dalle vecchie centrali e in parte ricavate dal settore sanitario e industriale. Si tratta di riempire e depositare in luogo sicuro per almeno 3-4 secoli migliaia di fusti metallici, inseriti in un sarcofago di cemento armato ricoperto di terreno argilloso. Un’area ritenuta idonea per il deposito di questi particolari rifiuti fu individuata nel 2003 in Basilicata, nel comune di Scanzano Jonico, ma le proteste della popolazione bloccarono tutto.

Da allora la gestione dei rifiuti radioattivi attende una risposta che non sia un semplice rinvio al futuro. Come al solito, ora ce lo impone l’Europa: una direttiva obbliga ogni Paese membro a gestire sul proprio territorio i rifiuti nucleari. Non solo, tra alcuni anni arriveranno a scadenza anche i contratti che l’Italia ha stipulato con Francia e Inghilterra per “riprocessare” (ridurre il contenuto di uranio e plutonio) i rifiuti che sono stati inviati nei due Paesi per mezzo di treni speciali. Anche questi rifiuti dovranno ritornare sul nostro territorio, dopo esserci costati un miliardo, un miliardo e mezzo di euro. Dove sono adesso gli altri rifiuti nucleari? Suddivisi fra i vari impianti che li hanno prodotti, in situazione di sicurezza per adesso ma non per un periodo di medio o lungo termine. Dove metterli? Tutti i tecnici concordano con la necessità della costruzione di un unico deposito nazionale: è più sicuro e più economico, è stato stimato un costo di circa 2,5 miliardi di euro e sarà esteso quanto un campo di calcio, alto quanto un palazzo di cinque piani (18-20 m).

     Qualche mese fa, L’ISPRA, l’Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale, ha pubblicato la Guida Tecnica n. 29 riguardante i “Criteri per la localizzazione di un impianto di smaltimento superficiale di rifiuti radioattivi a bassa e media attività”.  La guida, corredata da una relazione illustrativa che descrive sinteticamente il contesto internazionale in materia di gestione dei rifiuti radioattivi, contiene quindici criteri che, per esclusione, permettono di individuare aree del territorio nazionale dove costruire un Deposito nazionale che consenta di gestire in sicurezza i rifiuti radioattivi. I criteri di esclusione e quelli “di approfondimento” costituiscono requisiti fondamentali e importanti elementi di valutazione per le amministrazioni centrali e periferiche, oltre che per la S.O.G.I.N. S.p.A. addetta alla messa in sicurezza di questa tipologia di rifiuti e alla localizzazione dell’area di costruzione del deposito. Quali sono i quindici fondamentali criteri di esclusione?

Sono da escludere le aree:

1. vulcaniche attive o quiescenti

2. contrassegnate da sismicità elevata

3. interessate da fenomeni di fagliazione

4. caratterizzate da rischio e/o pericolosità geomorfologica e/o idraulica di qualsiasi grado e le fasce fluviali

5. contraddistinte dalla presenza di depositi alluvionali di età olocenica

6. ubicate ad altitudine maggiore di 700 m s.l.m.

7. caratterizzate da versanti con pendenza media maggiore del 10%

8. sino alla distanza di 15 km dalla linea di costa attuale oppure ubicate a distanza maggiore ma ad altitudine minore di 20 m s.l.m.

9. interessate dal processo morfogenetico carsico o con presenza di sprofondamenti catastrofici improvvisi (sinkholes)

10. caratterizzate da livelli piezometrici affioranti o che, comunque, possano interferire con le strutture di fondazione del deposito

11. naturali protette identificate ai sensi della normativa vigente

12. che non siano ad adeguata distanza dai centri abitati

13. che siano a distanza inferiore a 1 km da autostrade e strade extraurbane principali e da linee ferroviarie fondamentali e complementari

14. caratterizzate dalla presenza nota di importanti risorse del sottosuolo

15. caratterizzate dalla presenza di attività industriali a rischio di incidente rilevante, dighe e sbarramenti idraulici artificiali, aeroporti o poligoni di tiro militari operativi.

Questi criteri, uniti a quelli di approfondimento dovrebbero rendere trasparenti le procedure, rassicurare le popolazioni e condurre ad una scelta che dia tempi certi e “brevi” per la costruzione del deposito. Se altri Paesi hanno già costruito depositi del genere, non si capisce perché in Italia la gestione e la messa in sicurezza dei rifiuti debba sempre rimanere un’accesa e inconcludente discussione. Sperando di non scoprire in fase di appalto dei lavori, o costruzione dell’opera, i soliti problemi “all’italiana” emersi anche per il MOSE della laguna veneta.

Crediti per la mappa del nucleare europeo: http://www.ansa.it/ . Per approfondire:

Guida Tecnica n. 29 (versione in italiano)

Relazione illustrativa Guida Tecnica (versione in italiano)

Guida Tecnica n. 29 (versione in inglese)

Relazione illustrativa Guida Tecnica (versione in inglese)

Video dell’onda di tsunami che nel 2011 si abbatté sulle coste giapponesi provocando, tra l’altro, migliaia di morti e il disastro della centrale nucleare di Fukushima:

http://www.youtube.com/watch?v=j0YOXVlPUu4

http://www.youtube.com/watch?v=5K6evRtpdAw

 

 




Reazioni di alcani e cicloalcani

6 06 2014

     Gli idrocarburi si distinguono da tutti gli altri composti organici perché sono costituiti solo da atomi di carbonio e idrogeno e comunemente vengono classificati in saturi e insaturi: i primi hanno solo legami chimici semplici; quelli insaturi invece contengono anche legami doppi o tripli.

     Un’altra classificazione degli idrocarburi li distingue in alifatici, caratterizzati da molecole lineari, ramificate o cicliche, e aromatici, contenenti uno o più anelli di benzene.

     Gli alcani sono idrocarburi alifatici nelle cui molecole gli atomi di carbonio hanno un’ibridazione sp3 , cioè formano quattro legami covalenti semplici, identici, molto forti. Dal punto di vista “spaziale”, i quattro orbitali sp3 sono orientati verso i vertici di un tetraedro, con un angolo di legame di 109,5°, al cui centro c’è l’atomo di carbonio. Questi legami, pur forti, non annullano la tendenza a reagire degli alcani, che hanno due principali tipi di reazioni: la combustione con l’ossigeno e l’alogenazione.

     La combustione, in presenza di un eccesso di ossigeno, permette agli alcani di ossidarsi e bruciare formando diossido di carbonio e acqua con la produzione di una grande quantità di calore. Ad esempio la combustione del metano che arriva nelle nostre abitazioni può essere rappresentata dall’equazione:

CH4 + 2O2 –> CO2 + H2O + 890 kJ di energia

Lo sfruttamento degli alcani a scopo energetico è proprio dovuto alla facilità con cui avvengono le reazioni di combustione che, una volta innescate e controllate, procedono spontaneamente.

     L’alogenazione è una reazione con un alogeno (F2, Cl2, Br2, I2), che può avvenire se la miscela tra l’alcano e l’alogeno si trova oltre una certa soglia di temperatura oppure in presenza di luce. Si tratta di una reazione di sostituzione: l’alogeno sostituisce uno o più atomi di idrogeno nella molecola di alcano. La figura in basso mostra alcuni esempi con i nomi del prodotto principale, l’altro è il cloruro d’idrogeno. Controllando le condizioni di reazione, si possono formare derivati polialogenati, come il diclorometano, il triclorometano, il tetraclorometano.

      A seconda degli alcani e degli alogeni impiegati, le reazioni procedono in modo diverso, perché il grado di reattività differisce tra un alogeno e l’altro, oltre che tra i differenti alcani. Il più delle volte, i prodotti delle reazioni sono miscugli di sostanze. Ad esempio, dalla clorurazione del propano (il principale ma non unico componente del gas degli accendini e del GPL, Gas di Petrolio Liquefatto per autotrazione, molto utilizzato anche in bombole nelle zone non servite dai metanodotti) si forma sia l’1-cloropropano che il 2-cloropropano, a seconda che l’alogeno si leghi al carbonio terminale o a quello centrale della catena.

Anche i cicloalcani danno reazioni di combustione e di alogenazione. A differenza della formula generale degli alcani, CnH2n+2, quella dei cicloalcani è CnH2n, perché essendo ciclici hanno una struttura chiusa, ad anello.

      Ad esempio il C3H6 (ciclopropano), in presenza i luce ultravioletta, reagisce facilmente con il cloro (Cl2) per formare il cloruro di ciclopropile (C3H5Cl) più cloruro di idrogeno (HCl) e una piccola percentuale di 1,1-dicloro-ciclopropano (C3H4Cl2).