CAMERA A NEBBIA ESERO Italia: insegna, impara, vola in alto con lo spazio - Radioattività in uno scenario cosmico
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ESERO Italia: insegna, impara, vola in alto con lo spazio
scuola secondaria
→ CAMERA A NEBBIA
Radioattività in uno scenario cosmico
1
Guida per l’insegnante
Pag. 11
Pag. 12
Risorsa originale Radioactivity in a cosmic setting
www.esa.int/education
Risorsa tradotta e adattata da ANISN – Associazione
Nazionale Insegnanti Scienze Naturali
Per maggiori informazioni contattare ESERO Italia: www.esero.it
Copyright © European Space Agency 2021
2
→ LA CAMERA A NEBBIA
Radioattività in uno scenario cosmico
Breve descrizione
Durata della lezione: 1 ora
↑ Video sulla camera a nebbia(VP03). Vedi la lista degli
approfondimenti.
3
→ LA TEORIA
Con la costruzione della prima camera a nebbia
nasceva un nuovo ramo della fisica: lo studio Figure 1
delle particelle e delle loro interazioni. La
camera a nebbia consente di osservare
visivamente particelle cariche, dando la
possibilità di determinare le loro proprietà
conoscendole in dettaglio.
All’interno della camera, le molecule di alcool allo
stato di vapore sono ionizzate dalle particelle
cariche che transitano nelle loro vicinanze.
Questo fa sì che i vapori di alcool condensino in
goccioline liquide, formando una scia di
condensazione visibile, dove le particelle
cariche hanno interagito con l’alcool. La
lunghezza e lo spessore della traccia lasciata
dipendono dalla massa della particella.
Le particelle cariche, ionizzate, hanno diverse ↑ I satelliti Esa Swarm, in orbita attorno alla Terra, studiano
origini, tra le quali materia che sta subendo un il suo campo magnetico.
decadimento radioattivo. Nel corso del
decadimento, atomi instabili si disgregano in
atomi più piccoli e più stabili, emettendo
radiazioni alfa
(in realtà una particella costituita da due neutroni e due protoni) o beta (un elettrone o un
positrone*).
Figure 2: Il campo magnetico della Terra. Nota che l’asse di
rotazione e l’asse del campo magnetico hanno direzioni diverse, e Nello spazio sono presenti moltissime
il loro punto di incontro non è il centro della Terra radiazioni ionizzanti, provenienti non solo da
magnetic
north pole geographic decadimenti radioattivi, ma anche da sorgenti
north pole come raggi cosmici*, vento solare*,
espulsioni di massa dalla corona solare
(Coronal Mass Ejections, CME*). Le particelle
cariche in movimento sono deviate da campi
magnetici: grazie a questo fenomeno, la Terra
è ben protetta da tutte le radiazioni ionizzanti
proprio dal suo campo magnetico, attivo nella
zona chiamata la magnetosfera, studiata in
questo momento dai satelliti ESA Swarm
(Figura 1) e Cluster. La magnetosfera è
generata dal moto dei materiali ferromagnetici
Ferro e Nickel che si trovano nel nucleo della
Terra. Le line di campo magnetico Terrestre
geographic magnetic sono mostrate nella Figura 2.
south pole south pole
* Positrone: una particella che ha la massa di un elettrone, ma carica elettrica opposta.
Raggi cosmici: particelle ad alta energia, tipicamente protoni e nuclei atomici, provenienti dal Sole e da oggetti celesti
al di fuori del Sistema Solare.
Vento solare: un flusso di particelle cariche emesse dal sole – per lo più elettroni e protoni.
Espulsione di massa dalla corona solare, Coronal mass ejection (CME): violenta emissione di radiazione
elettromagnetica, particelle e campi magnetici “sparate” nello spazio dalla corona solare.
4
Grazie alla forza di Lorentz, le particelle Figura 3
cariche e la radiazione possono venire
intrappolate dal campo magnetico terrestre
lungo le sue linee di campo, che sono più
densamente concentrate nelle fasce di Van
axis
Allen interna ed esterna*, mostrate nella axis
Figura 3. Questo può avere un effetto
disastroso sugli apparati elettronici a bordo
outer
dei satelliti in orbita attorno alla Terra. inner
belt
Peraltro, la radiazione può essere utilizzata belt
anche per scopi utili. I veicoli spaziali possono
essere spinti mediante l'effetto Seebeck; una
differenza di temperatura tra due conduttori
elettrici di diversa natura, (che può avere
origine dal riscaldamento di uno di essi
mediante radiazione) può produrre una
differenza di potenziale tra i due, originando
un flusso di corrente elettrica.
↑ Le fasce di Van Allen. Due anelli a forma di ciambella,
attorno alla terra, che intrappolano particelle cariche
Una camera a nebbia può essere elettricamente.
sviluppata ulteriormente con l'inclusione di
un campo magnetico, che devia particelle
cariche in movimento. L'entità della
variazione di direzione dipende dalla carica
della particella. Questo fatto fu determinante per la
scoperta dell'antimateria nel 1932, quando Carl
Anderson utilizzò una camera a nebbia con
un campo magnetico per rilevare i raggi
cosmici, particelle cariche provenienti dallo
spazio, scoprendo che alcune particelle
erano deviate in modo esattamente
opposto
a quello che ci si aspettava.
* Fasce di Van Allen: strati di particelle energetiche cariche elettricamente, trattenute attorno alla Terra dal campo
magnetico terrestre. Si estendono all'incirca tra i 1000 e i 60000 km sopra alla superficie terrestre.
5
→ PREPARAZIONE DELL’ESPERIMENTO
Il video VP03 | "teach with space - cloud chamber", disponibile sul sito web Education
dell'ESA, mostra lin modo completo l'allestimento e l'utilizzo della camera a nebbia. Il video può
essere utilizzato come guida per gli studenti nella costruzione della camera, per spiegare ciò
che si osserva, o anche come alternativa alla stessa costruzione della camera.
Materiale occorrente per l'esperimento
Da preparare prima
• Un acquario in plastica di medie dimensioni
• Nastro di feltro adesivo da un lato (o un nastro di feltro e colla adatta a feltro e plastica)
Per l'esecuzione dell'esperimento
• Due elettrodi o piccole aste di saldatura di tungsteno toriato (o altre sorgenti alfa/beta)
• Circa 2.5 kg di ghiaccio secco (CO2 solida)
• 20 ml di alcool isopropilico, conosciuto come isopropanolo (se non disponibile usare etanolo
)
• Un acquario di plastica con le strisce di feltro pre-incollate
• Due vassoi di metallo (quelli da forno funzionano bene)
• Cartoncino nero o carta plastificata nera (per ricoprire i vassoi se non sono scuri)
• Una o due sorgenti di luce abbastanza potenti (ex: una striscia luminosa di LED, una torcia, un
proiettore per le diapositive)
• Un pezzo di carta con cui avvolgere una delle aste di tungsteno
• Gomma stucco o altra sostanza adesiva riutilizzabile
• Una pipetta
• Guanti termicamente isolanti
• Occhiali protettivi (un paio ogni persona che assiste all'esperimento)
Preparazione
1. Tagliate il feltro in modo da ottenere strisce di ampiezza circa 4 cm e di lunghezza il perimetro
della base dell'acquario.
2. Disponete l'acquario di plastica in modo che la superficie aperta sia sopra, e ricoprite
ciascuna delle 4 facce laterali con le strisce di feltro (vicino agli spigoli inferiori, perchè
durante l'utilizzo devono trovarsi nella parte superiore della camera – vedi figura nel foglio
di lavoro dello studente). Con il feltro con lato adesivo è più facile, ma si può anche usare
la colla per attaccare il feltro. Attenzione: l'alcool è un solvente, testate la tenuta
dell'adesivo prima dell'uso.
3. Le istruzioni per lo svolgimento dell'esperimento si trovano nel documento sulle attività
degli studenti (teach with space - camera a nebbia | P03b).
6Istruzioni per la sicurezza
Per la sicurezza in laboratorio fai sempre riferimento al regolamento della tua scuola e
alle linee guida nazionali; fai inoltre una valutazione del rischio dell'esperimento.
Isopropanolo (e altri alcool):
• L'isopropanolo è altamente infiammabile e irritante. Non usarlo vicino al fuoco, indossa
occhiali.
• Assicurati che la stanza sia ben ventilata, tieni la bottiglia del propanolo tappata.
Ghiaccio secco:
• Assicurati che la stanza sia ben ventilata per evitare alte concentrazioni di anidride
carbonica.
• L'inalazione continuata di vapori freddi può causare problemi polmonari o attacchi di
asma.
• Porta sempre gli occhiali protettivi e i guanti isolanti termici, per evitare bruciature da
freddo per contatti fortuiti della pelle con il ghiaccio secco o materiale raffreddato. In
caso di bruciatura da freddo, trattala come una normale bruciatura - 10 minuti sotto
all'acqua fredda,ed assistenza medica in caso di necessità.
• NON bisogna tenere il ghiaccio secco in contenitori sigillati, dal momento che
l'anidride carbonica si trasforma presto in gas. Indicatelo chiaramente con scritte sul
contenitore.
Bacchette di tungsteno toriato – sorgenti di radiazione:
• Gli elettrodi di tungsteno toriato, contengono ossido di Torio, che emette particelle
alfa. Ha una capacità di penetrazione bassa, per questo motivo, usando le opportune
precauzioni, si possono maneggiare in modo sicuro (si trovano normalmente in
commercio).
• In caso la scuola si doti di un buon numero di bacchette di Tungsteno, è
raccomandabile che esse vengano riposte in una scatola metallica con l'etichetta
"materiale radioattivo", magari assieme ad altro materiale radioattivo se la tua
scuola ne è provvista.
• Se un elettrodo mostra segni di scheggiatura o disgregazione, deve essere smaltito secondo la
normativa.
• Gli elettrodi o parti di essi non devono essere ingeriti. Pur se molto improbabile, in
caso di ingestione di parte di un elettrodo cerca l'assistenza di un medico, e segui le
istruzioni della tua scuola per le sostanze radioattive.
7→ RISPOSTE PER LE DOMANDE DELLA
DISCUSSIONE
1. Da dove sembrano provenire la maggior parte delle scie di condensazione?
Provengono per lo più dagli elettrodi (bacchette) di tungsteno toriato.
2. Stiamo osservando il decadimento radioattivo delle bacchette di tungsteno toriato.
Che cosa potrebbero suggerire le scie di condensazione? Le scie mostrano il percorso
delle particelle alfa e beta originate dal decadimento radioattivo del torio-232 negli elettrodi
di saldatura.
3. Si possono osservare differenze tra le scie di condensazione che partono dalle due
bacchette?
Dall'elettrodo non incartato partono tracce sottili corte e lunghe, mentre da quello incartato
partono solo tracce lunghe e sottili.
4. Quale è la differenza tra decadimento alfa e beta?
Il decadimento radioattivo è il processo mediante il quale il nucleo di un atomo instabile perde
energia emettendo radiazioni ionizzanti per adattare il rapporto protoni/neutroni nel suo nucleo.
Tra i principali tipi di decadimento abbiamo: il decadimento alfa e quello beta.
Nel decadimento alfa, vengono emessi due protoni e due neutroni. Questo porta alla
formazione di una particella "figlia" di quella di partenza, con un numero di massa inferiore
di 4 unità al numero di massa di quello originale, e un numero atomico inferiore di 2, sempre
rispetto all'atomo di partenza. Per esempio l' Uranio-238 decade mediante una emissione
alfa, perdendo due protoni e due neutroni, diventando Torio-234 [uno degli isotopi del Torio].
Il decadimento beta può avvenire nei seguenti due modi, denominati β- e β+:
β-: Un neutrone si trasforma in un protone, emettendo un elettrone.
β+: Un protone si trasforma in un neutrone,emettendo un positrone (antiparticella
dell'elettrone).
5. Le differenze tra decadimento alfa e beta potrebbero avere effetto sulle scie che osservi? Le
particelle alfa sono fisicamente più grandi e più ionizzanti di quelle beta, avendo carica
elettrica +2 (2 protoni). Compiono un viaggio relativamente corto fino al momento in cui tutta
la loro energia cinetica è stata ceduta. Questo significa che le scie di condensazione delle
particelle alfa sono le più corte e spesse, circa 2-5 cm di lunghezza. Con carica elettrica
inferiore, le particelle beta ionizzano di meno, viaggiando, per questo, di più, prima di perdere
tutta la loro Figura 4
energia. Producono scie più lunghe,
fino a 10 cm.
beta
Dalla bacchetta incartata si possono
osservare solo particelle beta. Questo ↑ Una bacchetta toriata che emette radiazioni alfa e beta.
perchè le particelle alfa cedono tutta la
loro energia alle particelle di carta,
ionizzandole,
8prima di potere interagire con i vapori di alcool. Le particelle Beta producono una ionizzazione
più debole, e per questo attraversano la carta attorno all’elettrodo, senza interagire con essa.
E' quindi chiaro che la distanza di penetrazione della radiazione alfa è molto piccola – le
particelle alfa perdono tutta la loro energia già su corte distanze.
6. Come si formano le scie di condensazione nella camera a nebbia?
L'alcool di cui è imbevuto il feltro è molto volatile, e forma rapidamente vapore nella parte
superiore della camera. Quando la parte inferiore della camera raggiunge una temperatura
bassa a causa del ghiaccio secco, il vapore di alcool si raffredda e cade. L'alcool
condenserebbe naturalmente a questa temperatura, portandosi allo stato liquido, essendo
al di sotto del suo punto di ebollizione.
Per condensare, però, le particelle di gas hanno bisogno di un "seme", una piccola particella,
un corpuscolo di "disturbo", sul quale potere iniziare l'aggregazione. Non essendoci questo
tipo di "seme di aggregazione" nella camera a nebbia, un sottile strato di alcool allo stato ‘super-
saturo’ impossibilitato a condensarsi si raccoglie in prossimità del fondo della camera a
nebbia (che deve il suo nome proprio a questo fenomeno).
Una particella carica (come la alfa prodotta dal decadimento radioattivo) che passa
attraverso la camera, ionizza le molecole di alcool nel suo percorso. Queste molecole di
alcool ionizzate agiscono da "semi di aggregazione" per le molecole di alcool circostanti non
cariche, che si condensano così formando goccioline che evidenziano la scia di
condensazione osservata nella camera. Pochi istanti dopo la loro formazione, le goccioline
cadono sul fondo della camera, disperdendosi; la scia di condensazione è visibile così solo
per un paio di secondi!
7. I raggi cosmici sono particelle ad alta energia provenienti dallo spazio. Come possiamo
osservarli?
Nella camera a nebbia si potranno osservare occasionalmente scie che non sembrano
provenire dalle bacchette di tungsteno toriato. Certamente potrebbero essere il prodotto di
decadimenti radioattivi casuali fuori della camera a nebbia, ma con più probabilità sono
l'evidenza di raggi cosmici provenienti dal Sole o da altri oggetti celesti come stelle e
galassie. I raggi cosmici dallo spazio penetrano nell'atmosfera terrestre e interagiscono con
le particelle che la costituiscono. L’interazione dapprima creano altre particelle dette pioni*. I pioni
decadono molto rapidamente, dando origine spesso a muoni*. I muoni possono essere osservati
nella camera come tracce diritte, molto lunghe e sottili.
8. Che effetti possono avere le radiazioni sui veicoli spaziali?
Le radiazioni ionizzanti possono urtare elettroni liberi nei circuiti elettrici, producendo
interferenze con i sistemi elettrici ed elettronici dei satelliti che orbitano attorno alla Terra.
Nella maggior parte dei casi questi effetti portano ad una momentanea riduzione della qualità
dei dati, ma gli effetti possono essere peggiori durante le emissioni coronali di materia (CME)
a causa dell'aumento dell'intensità di energia delle particelle ionizzanti. Le correnti troppo
intense che potrebbero percorrere i circuiti a bordo potrebbero causare danni ai dispositivi o
addirittura distruggerli. Per questo motivo gli ingegneri che progettano satelliti e veicoli
spaziali devono proteggere i circuiti più delicati da queste radiazioni dannose. Il modo più
semplice per farlo è di schermarli con materiali progettati appositamente, contenenti atomi
con un numero atomico alto, e per questo motivo capaci di assorbire la gran parte delle
radiazioni grazie ai loro protoni e neutroni.
9. Come possiamo utilizzare il decadimento radioattivo per ottenere energia nello spazio?
Il decadimento radioattivo produce energia, che riscalda la materia. Questo rende possibile
l'utilizzo dell'effetto Seebeck; per questo fenomeno la differenza di temperatura tra due
diversi conduttori elettrici può produrre una differenza di potenziale tra di loro. Un conduttore
9
Figure 5è riscaldato dal decadimento, mentre l'altro è mantenuto freddo, per esempio mediante la
sua esposizione all'ambiente freddo dello spazio. Gli elettroni "riscaldati"
fluiscono dal conduttore più caldo
a quello più freddo. Se i conduttori
sono collegati in un circuito
elettrico, nel circuito si produce
corrente continua. (Figura 5).
Questo metodo di produrre energia
è stato utilizzato in molti veicoli
spaziali, come la missione ESA
Ulysses e la missione congiunta
ESA/NASA/ASI Cassini-Huygens.
↑ L'effetto Seebeck.
* Pione (o mesone Pi): un tipo di particella molto più piccola di un atomo. Ci sono diversi pioni; π0, π+, e π-.
Muone: una particella con la stessa carica di un elettrone, ma con massa molto più grande.
10Lo sapevi?
11→ SOLUZIONI PER LE ATTIVITA' DEGLI
STUDENTI
1. I diversi processi di decadimento
a. decadimento α
b. decadimento β- (emissione di un elettrone):
c. decadimento β+ (emissione di un positrone):
2. Decadimento del Torio
232
Th 228
228
83 Bi 82 Pb
228 224
82 Pb 81 Ti
3. L'elemento stabile prodotto al termine della catena di decadimento è il Piombo.
12Per approfondire
La collezione Teach with space
ESA teach with space - cooking a comet video | VP03: www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2014/07/Cloud_chamber_-_
classroom_demonstration_video_VP03
Le missioni ESA collegate al tema, e le conoscenze applicate
ESA Cassini-Huygens mission: www.esa.int/Our_Activities/Our_Activities/Space_Science/Cassini-
Huygens Cassini’s solstice mission: saturn.jpl.nasa.gov/
ESA Ulysses mission: www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Ulysses_overview
ESA Swarm mission: www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/The_Living_Planet_Programme/Earth_
Explorers/Swarm
ESA Cluster mission: www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Cluster/Science_objectives
Articoli sul decadimento radioattivo disponibili presso ESA
Radioactive decay of titanium powers supernova remnant:
www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Radioactive_ decay_of_titanium_powers_supernova_remnant
Radioactive iron: www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Integral/Radioactive_iron_a_window_to_the_stars
13Chi siamo Lo Spazio rappresenta un contesto straordinario per le attività di educazione scientifica e tecnologica grazie al grande potere evocativo che esercita sull’immaginario collettivo, dei giovani in particolare. Il potenziale di ispirazione dello Spazio fornisce una chiave di lettura distintiva del progetto ESERO, nato per sostenere innovazione nell’insegnamento, stimolare nei giovani un interesse genuino per la scienza e la tecnologia, coinvolgerli in un processo di apprendimento attivo e ispirato, e accompagnarli nello sviluppo del pensiero critico ed autonomo come valore sociale. ESERO Italia è un programma congiunto dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), con il sostegno di un’ampia gamma di organizzazioni nazionali attive nel campo dell’educazione e del settore spaziale. L’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) promuove l’educazione, l’alta formazione e la diffusione della cultura spaziale dedicate alle nuove generazioni, che saranno gli attori dello Spazio del futuro. L’ASI realizza progetti educativi legati alle attività istituzionali dell’Agenzia per attrarre verso le discipline scientifiche, ingegneristiche e tecnologiche i talenti e le risorse di capitale umano qualificato da cui primariamente dipende, nell’economia della conoscenza globale, la capacita competitiva di un Paese avanzato. www.asi.it L’Agenzia spaziale Europea (ESA) annovera tra i suoi obiettivi il supporto all’educazione tecnico- scientifica delle nuove generazioni. Le attività educative dell’ESA sono mirate allo sviluppo di conoscenze, competenze e attitudini nel campo STEM. Il fine è attirare i giovani alle carriere tecnico- scientifiche sostenendoli nel percorso, ma anche contribuire allo sviluppo di una cittadinanza informata e responsabile, e a promuovere la rilevanza dello Spazio, e dei servizi che ne derivano, per la società e cultura contemporanee. www.esa.int
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