F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002
L’atomo all’inizio del ‘900
L’atomo di Thompson
L’atomo quantistico
L’atomo di
Rutherford e
Bohr
Il nucleo oggi
La struttura del nucleo
Le forze
fondamentali
4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !!
1
1029
1040
1043
Il Modello Standard
Leptoni
Quarks
Fermioni
Bosoni
u c t g
d s b g
up
down
charm
top
strange bottom
gluone
fotone
ne nm nt W
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
bosone
Z
bosone
Bosone
di Higgs
?
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 medicina: diagnosi e terapia;
- fisica e l’arte;
- fisica e investigazioni scientifiche;
- fisica e problemi del mondo – es. sminamento;
- fisica e comunicazioni;
- fisica e …di piu’
Fisica e Societa’:
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Positron Electron Tomography
Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.
CERN
e
Athena
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
2
E=mc
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
Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.
Un apparecchiatura PET ha ~ 10.000
rivelatori di g
rivaltori BGO di spessore 3 cm
Al paziente viene iniettata una sostanza radiofarmacologica (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 g emessi in
direzione opposta
Positron Electron Tomography
Le risoluzioni spaziali ottenibili con la PET dipendono dal
radioisotopo usato ~ 2 mm F 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.
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!!!
Immagini del cervello
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 Tomografia Computerizzata
La Tomografia Computerizzata (TC)
consente di ricostruire sezioni
trasversali del corpo umano.
Principio di funziomento di un tomografo TC
Linear scan
Source
Angular scan
Detector
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 m to
the linear attenuationmcoefficient
of water, mW @ 70 keV
 mW

HU  2HU original
(=Eeff).HU original  500 m
W
Evoluzione
del Tomografo
TC principi di
Sviluppo di nuovi
sistemi, fondati
su differenti
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
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
I melanomi oculari sono curabili quasi
esclusivamente con terapie adroniche
Il trattamento con protoni permette di depositare
quantita` di energia controllate direttamente nella
regione tumorale
Adroterapia
Dall'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’:
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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’
Adattabilita’ a varie forme e materiali
Accuratezza quantitativa
Rapidita’ di esecuzione delle misure
Limite di rivelazione piccolo
Non invasivita’
Manufatto
Sorgente
Rivelatore
Il campo di indagine e’ molto vasto:
I materiali lapidei
I materiali fittili
I materiali lignei
I materiali metallici
I vetri
Le pergamene
I dipinti su tela
I dipinti su tavola
Gli affreschi
Esempi di analisi Non Distruttive
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tecniche fotografiche speciali
Riflettografia IR
Radiografia
Fluorescenza X
Tomografia
Gammagrafia
Termografia
Olografia
Ultrasuoni
Arte e Fisica
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).
Pentimenti
Le Sueur – musa Urania (particolare)
Analisi dei pigmenti
Leonardo Da Vinci – La Gioconda
Riutilizzo tela
Rembrandt – Ritratto di giovane uomo Titus
XRF inchiostro
Raffaello de Mercatellis
manoscritto n.109
XRF bronzo
studio 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 delle
tracce 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  estrazione
e neutralizzazione esplosivo
tempo: > 30 minuti
costo: 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 + g (Eg=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
Raddoppio ogni 18 mesi
10000
1000
100
10
1
1995
2000
2005
2010
anno
2015
2020
Velocità di sviluppo della tecnologia
( legge di MOORE )
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
Sorgente: Intel e Datapro Reports
CRESCITA UTENTI COMUNICAZIONI MOBILI
2730
1730
1330
880
940
446
87
1995
226
1400
540
850
200
400
2000
2005
2010
2015
Sorgente: DaimlerChryslerAerospace
Servizi mobili
Sorgente: DaimlerChryslerAerospace
Servizi multimediali in ambiente Mobile
Sorgente: DaimlerChryslerAerospace
Servizi multimediali in ambiente Residenziale
Sistema 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’!
v = 3.87 Km/s
t01 – t01’  (1  g) t01
1 orbit ~ 12 hours
 t01 – t01’ ~ 6 10-8 s
 DD ~ 18 m
Due to other effects connected to
general relativity DD ~ 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
Cultura scientifica
Conoscenza
utilizzabile
U. Amaldi (2000)
Le persone
Scienza
(fondamentale)
Tecnologie
Metodi
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.”