f.riggi, microcosmo e macrocosmo, vacanze studio gennaio 2002
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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
edia
tori
di F
orF
orzeze
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
Famiglie di Famiglie di
materiamateria
tau
-neutrino
bbottom
ttop
III III
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
II II
eelettrone
ee-neutrino
ddown
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uark
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GravitGravitàà
il il
fantasmafantasmadell’operadell’opera
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’
Fisica e Societa’:Fisica e Societa’:
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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
Fisica e Societa’:Fisica e Societa’:
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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
Fisica e Societa’:Fisica e Societa’:
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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.”