Laboratorio di lenti gravitazionali

L’astrofisica è la parte della Fisica che si occupa dello studio della struttura, dell’evoluzione dell’Universo e delle sorgenti cosmiche. Secondo la teoria di Einstein, la forza di gravità è la manifestazione della forma dello spazio-tempo. In quest’attività introdurremo il concetto di spazio-tempo dinamico modellato dalle masse dell’Universo, illustrando in modo particolare il fenomeno delle lenti gravitazionali, ovvero la deviazione della luce per effetto della presenza di oggetti massivi, fenomeno fondamentale in astrofisica e cosmologia per le sue numerose applicazioni.

Con l’utilizzo di un laboratorio didattico, si sfrutta un’efficace analogia con l’ottica geometrica per introdurre i concetti basilari del lensing gravitazionale. Successivamente si utilizzerà un software che permette di simulare diversi eventi di lensing attorno a  una galassia osservata dal telescopio spaziale Hubble; infine si effettuerà una misura della massa di tale galassia, sia tramite lensing, sia tramite la luce emessa dalla galassia stessa, mostrando il noto problema della "massa mancante" legato alla presenza della dark matter.

Capienza massima: 8 studenti

 Le radiazioni in Medicina: raggi X e diagnostica per immagini

Questo percorso di Fisica Medica tratterà dei principi fisici e della tecnologia alla base della diagnostica per immagini con raggi X.
Dopo una breve introduzione teorica, sarà svolta un’attività di laboratorio, che permetterà agli studenti di sperimentare in prima persona l'utilizzo di un sistema di radiografia digitale. L’attività permetterà di affrontare i concetti di radiazione ionizzante, le tecniche di produzione dei raggi X e alcuni aspetti dell’interazione radiazione-materia. Questo renderà possibile comprendere e sperimentare, quali sono i fenomeni coinvolti nel processo di formazione dell’immagine radiografica.
In conclusione, sulla base di questa esperienza, saranno brevemente discussi i punti di forza e i limiti della diagnostica con raggi X in ambito clinico.

Capienza massima: 4 studenti

Studio dell'effetto fotoelettrico nei semiconduttori

Gli studenti svolgeranno un'esperienza finalizzata all'osservazione dell'effetto fotoelettrico nei materiali semiconduttori. Verrà loro descritto come sono organizzati i livelli energetici degli elettroni all'interno dei solidi cristallini, in generale, soffermandosi poi sul caso particolare dei semiconduttori; fatto questo si passerà a descrivere come avvenga l'interazione tra la luce ed il materiale di tipo semiconduttore, interazione che è alla base del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche. 

In seguito, si svolgeranno misure di corrente generata da celle fotovoltaiche costruite usando diversi materiali di tipo semiconduttore, per osservare come la differente struttura microscopica dei livelli elettronici di ciascun semiconduttore influenzi la risposta macroscopica della cella.

Capienza massima: 4 studenti

Laboratorio di fisica teorica

Le leggi della fisica, dalla meccanica classica all'elettromagnetismo, fino alla meccanica quantistica, sono espresse come “equazioni differenziali”. Dopo una breve e semplice introduzione teorica a questo tipo di strumento matematico, usando un software dedicato verranno risolte al computer alcune equazioni differenziali già note agli studenti (come la legge di gravitazione universale di Newton) ed alcune semplici equazioni della fisica moderna (esempi tratti dalla relatività di Einstein). Gli studenti lavoreranno direttamente col software e saranno guidati nella risoluzione dei problemi e nella visualizzazione e analisi dei risultati.

Capienza massima: 4 studenti

Gli esperimenti chiave della Fisica quantistica: l’effetto fotoelettrico e l’esperimento di Franck-Hertz

Gli studenti affronteranno i due esperimenti chiave per la fisica quantistica.

L'effetto fotoelettrico
Tra la fine del 1800 e gli inizi del 1900 l'effetto fotoelettrico, ovvero l'emissione di elettroni, da un metallo irradiato da luce, per la fisica classica risultava inspiegabile. Fu Einstein, in un articolo pubblicato nel 1905, a estendere il concetto del "quanto di Planck" alla radiazione, attribuendole oltre a una definita energia, fissata dal "colore", la proprietà corpuscolare, quindi l'intensità della radiazione dipende dal numero di corpuscoli (fotoni) di quella data energia. Lo scambio energetico tra fotoni e elettroni, presenti nel metallo, risulta anch'esso "quantizzato", ovvero il fotone può cedere solo l'energia che ha, né più, né meno. Tale ipotesi risulta concorde alle osservazioni sperimentali. L'importanza di tale spiegazione è dimostrata dall'attribuzione del premio Nobel a ai contributi alla fisica teorica ad Einstein nel 1914, principalmente per avere spiegato l'effetto fotoelettrico.

L'esperimento di Franck-Hertz
1914, i fisici James Franck e Gustav Ludwig Hertz dimostrano laquantizzazione dei livelli energetici degli atomi. L'energia assorbita ceduta da elettroni accelerati agli atomi è quantizzata. Anche l'energia poi riemessa dagli atomi eccitati è quantizzata. In questo esperimento viene acquisita la curva della corrente attraverso un gas in funzione della tensione applicata per il neon, nonché eventualmente per il mercurio. Si osserva che l'assorbimento di energia degli elettroni liberi accelerati dagli elettroni legati negli atomi avviene in modo quantizzato. Nel caso nel neon è possibile osservare ad occhio nudo i fotoni, riemessi, come energia ceduta dagli elettroni negli atomi, che "cadono" da livelli atomici più alti a quelli più bassi. Osserveremo qualitativamente bande di emissione di radiazione per il Neon. L'importanza di tale esperimento è manifestata dall'attribuzione del premio Nobel a Franck e a Hertz nel 1925.

Capienza massima: 4 studenti