16 - interazione della radiazione gamma con la materia e applicazioni in medicina
interazione della radiazione gamma con la materia e applicazioni in medicina
le radiazioni ionizzanti sono utilizzate in numerosi ambiti della medicina sia per diagnostica che per terapia. questa attività sperimentale si concentrerà sulla natura della radiazione gamma e i fenomeni che sono alla base dell'interazione con la materia.
in particolare l'esperienza consisterà nella misura dello spettro di emissione di una sorgente radioattiva e nella misura del coefficiente di assorbimento di alcuni materiali. queste attività permetteranno di introdurre vari concetti di fisica moderna tra cui il dualismo onda-particella, il fotone, radioattività e decadimenti, l'interazione compton e l'effetto fotoelettrico. sarà quindi possibile comprendere come è possibile sfruttare queste conoscenze nell'ambito delle applicazioni medicali.
laboratorio di lenti gravitazionali
la teoria della relatività generale di einstein prevede che la luce venga deviata nel passaggio nelle vicinanze di corpi massicci (come stelle o galassie) che deformano lo spazio-tempo intorno a loro. questo fenomeno ha portato alla scoperta delle lenti gravitazionali che sono tra gli strumenti più potenti dell’astrofisica moderna per studiare la distribuzione di materia oscura nell’universo e le galassie più distanti amplificate ed ingrandite da questo effetto. durante questa attività, verrà sfruttata una analogia molto stretta tra gli effetti ottici delle lenti gravitazionali e quelli prodotti da lenti opportunamente sagomate, per illustrare e capire questo fenomeno paragonando immagini del telescopio spaziale hubble con quelle riproducibili con un banco ottico in laboratorio. verrà anche simulato l’effetto di spostamento apparente delle stelle proiettate dietro il disco solare durante l’eclissi, riproducendo l’esperimento di eddington del 1919, che portò alla prima eclatante verifica delle previsioni della teoria della gravità di einstein.
interazione della radiazione gamma con la materia e applicazioni in medicina
le radiazioni ionizzanti sono utilizzate in numerosi ambiti della medicina sia per diagnostica che per terapia. questa attività sperimentale si concentrerà sulla natura della radiazione gamma e i fenomeni che sono alla base dell'interazione con la materia.
in particolare l'esperienza consisterà nella misura dello spettro di emissione di una sorgente radioattiva e nella misura del coefficiente di assorbimento di alcuni materiali. queste attività permetteranno di introdurre vari concetti di fisica moderna tra cui il dualismo onda-particella, il fotone, radioattività e decadimenti, l'interazione compton e l'effetto fotoelettrico. sarà quindi possibile comprendere come è possibile sfruttare queste conoscenze nell'ambito delle applicazioni medicali. verifica del principio di indeterminazione di heisenberg
gli studenti svolgeranno un’esperienza finalizzata alla verifica del principio di indeterminazione di heisenberg. nel laboratorio di ottica, tramite l’utilizzo di un laser e di una fenditura regolabile, interpreteranno le figure di diffrazione in termini del dualismo onda-corpuscolo della radiazione elettromagnetica. per la verifica del principio di indeterminazione l’esperienza si propone di misurare le incertezze sulla posizione e sulla velocità trasversali del fascio laser. gli studenti saranno guidati nelle operazioni di calibrazione degli strumenti, nell’esecuzione delle misure e nell’elaborazione dati. misura della costante di planck usando diodi emettitori di luce (led)
dopo una introduzione alla fisica moderna e alla tecnologia led, gli studenti saranno messi in condizione di misurare e rappresentare graficamente la caratteristica tensione-corrente di diversi dispositivi commerciali, arrivando a stimare la tensione di soglia di ciascuno di essi. lo studio della dipendenza di questa dalla lunghezza d'onda permetterà una stima del valore della costante di planck. durante l'analisi si confronteranno i dati raccolti con i modelli, prestando attenzione alla trattazione consistente degli errori sperimentali. effetto fotoelettrico e misura della costante di planck
dopo una introduzione alla fisica moderna, ed una spiegazione di cosa sia l’effetto fotoelettrico e di quali problematiche esso sollevi, gli studenti procederanno con la misura della corrente emessa da un metallo quando, sotto vuoto, esso viene colpito da radiazione elettromagnetica, in particolare misureranno quale sia l’energia degli elettroni emessi. tale misura verrà fatta utilizzando sorgenti di diversa frequenza, e lo studio della dipendenza dell’energia degli elettroni emessi dalla frequenza consentirà loro di stimare il valore della costante di planck. durante l'analisi si confronteranno i dati raccolti con i modelli, prestando attenzione alla trattazione consistente degli errori sperimentali. laboratorio di astrofisica
focalizzazione dei raggi x, una lente per lo spazio
nell'esperienza di laboratorio gli studenti parteciperanno alle misure di diffrazione dei raggi x attraverso delle tessere di materiale cristallino di elementi come silicio, germanio, gallio. questi elementi quando vengono investiti da radiazione producono il fenomeno della diffrazione che può essere utilizzato a nostro favore. infatti tanti tasselli cristallini opportunamente orientati danno luogo ad un effetto cumulativo e il risultato finale è quello di avere una grande quantità di raggi x tutti focalizzati nel cosiddetto fuoco della lente. i tasselli vengono fissati ad un supporto di fibra di carbonio con una apposito adesivo bicomponente.
in particolare gli studenti valuteranno il potere penetrante dei raggi x attraverso radiografie di oggetti comuni, misureranno l'energia dei raggi x diffratti dai tasselli cristallini e ne vedranno l'immagine con i rivelatori in dotazione al laboratorio. verranno poi calcolate alcune proprietà di ciascuno dei cristalli in uso da confrontare con le proprietà teoriche richieste dal progetto di costruzione della lente spaziale. alcune tra le tessere "promosse" verranno poi montate sul supporto assieme a quelle già incollate in precedenza. applicazioni della fluorescenza allo studio di opere d’arte
il fenomeno della fluorescenza, ben compreso e interpretato nel quadro della fisica quantistica, è alla base di diverse tecniche per lo studio di materiali. la caratteristica comune di queste tecniche è il fatto di non richiedere alcun prelievo, cosa che le rende particolarmente apprezzate quando gli oggetti di studio sono opere d’arte.
verranno presentati esempi di fluorescenza da luce ultravioletta, suggestivi perché osservabili direttamente a occhio nudo, e verranno osservati gli spettri di raggi x prodotti per fluorescenza da pigmenti e da altri materiali artistici. gli studenti impareranno a riconoscere un pigmento antico in base allo spettro x rivelato. l'effetto fotoelettrico nei semiconduttori
livelli energetici e fenomeni quantistici
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. nanostrutture di semiconduttori
dal modello alle principali applicazioni
lo studente sarà guidato partendo dalle sue conoscenze di base di fisica moderna fino a poter comprendere i concetti fondamentali della teoria dei livelli elettronici nei solidi cristallini. poi faremo una breve descrizione delle proprietà delle nano strutture (grani) di semiconduttori. in seguito verranno eseguite esperienze di misure elettriche sui sensori con vari gas ed una misura della barriera di potenziale tra grano e grano. poi illustreremo il funzionamento di alcuni dispositivi realizzati presso il nostro laboratorio per le misure di inquinanti atmosferici in campo e per l’analisi del respiro di soggetti sani e malati. alla scoperta della radioattività che ci circonda
nell’opinione pubblica la parola radioattività assume spesso un’accezione negativa: ci si dimentica che essa è un fenomeno fisico naturale, le cui applicazioni tecnologiche hanno portato a straordinari miglioramenti della qualità della vita dell’umanità. in questo seminario la radioattività sarà raccontata con gli occhi degli scienziati, da sempre affascinati da questo fenomeno fisico. durante questa attività gli studenti saranno accompagnati nella comprensione di uno dei fenomeni più affascinanti della fisica nucleare e realizzeranno in prima persona una misura di radioattività naturale impiegando uno spettrometro gamma a scintillazione connesso ad un tablet. laboratorio di raggi cosmici: misura del flusso di muoni a terra
gli studenti svolgeranno un’esperienza finalizzata alla rivelazione dei muoni prodotti nell’alta atmosfera. nel laboratorio di interazione radiazioni-materia, tramite l’utilizzo di rivelatori di particelle cariche, misureranno la variazione del flusso di muoni in funzione della direzione. gli studenti interpreteranno la presenza di muoni a terra in termini di relatività ristretta. in laboratorio verranno guidati nell’utilizzo degli apparati elettronici dei rivelatori, nell’esecuzione delle misure e nell’elaborazione dati. magnetismo e nanostrutture
lo scopo dell’esperienza è quello di presentare agli studenti quali siano le peculiarità delle nanostrutture magnetiche e come sia possibile caratterizzarne le proprietà. dopo una breve introduzione, verrà spiegato come la dimensione nanometrica e la forma dei materiali possano influenzare le proprietà magnetiche dei materiali stessi, in particolare la forma del loro ciclo di isteresi. verrà poi presentata la metodologia sperimentale per la caratterizzazione di tali materiali, che è basata sull’interazione tra luce visibile e materia; tale metodologia verrà poi utilizzata in laboratorio per la misura del ciclo di isteresi di un materiale nanostrutturato, così da verificare quanto visto nella parte introduttiva. spettroscopia gamma ed applicazioni in medicina
l’esperienza inizierà con una breve introduzione durante la quale si parlerà di radiazione elettromagnetica e fotoni, dell'interazione della radiazione con la materia (effetto fotoelettrico e compton). poi verrà presentata la parte sperimentale, descrivendo il principio di funzionamento della strumentazione utilizzata per la spettroscopia gamma (scintillatore, fotomoltiplicatore, amplificatore ed analizzatore multicanale). in laboratorio verranno svolte le seguenti operazioni: acquisizione del fondo di radiazione naturale; acquisizione di spettro di sorgenti cs-137/am-241; misura del coefficiente di attenuazione lineare di vari materiali (al, plexiglas..).
dopo aver raccolto i dati sperimentali, si procederà a fare il confronto dei valori ottenuti con quelli da database condivisi, e con i coefficienti di attenuazione tabulati relativi ai tessuti del corpo umano. si presenteranno poi le applicazioni della radiazione ionizzante e delle tecnologie di rivelazione in medicina (scintigrafia, gamma camera, radiografia). laboratorio di eco-fluidodinamica
l’esperienza inizierà con una parte introduttiva sulla fisica degli ultrasuoni e sul loro utilizzo in campo diagnostico e proseguirà poi con alcune prove pratiche svolte dagli studenti tra le quali: misura dell’attenuazione di un’onda ultrasonora al variare delle caratteristiche del mezzo in cui si propaga l’onda e della frequenza nominale dell’onda stessa; studio del flusso di un liquido tramite ecodoppler: utilizzando un apparato che permette di riprodurre la circolazione sanguigna in carotide e giugulare verranno effettuate misure di flusso tramite acquisizione di profili doppler ed immagini brightness-mode. laboratorio di cosmologia
lo stage mira a fornire agli studenti alcune nozioni di base di cosmologia, con enfasi sulla radiazione cosmica di fondo. si tratta di una radiazione elettromagnetica nella banda delle microonde, prodotta dopo il big bang. essa permea l'universo e, quindi, ci appare provenire da ogni direzione. alle lezioni teoriche saranno affiancate esercitazioni pratiche nelle quali gli studenti saranno chiamati in prima persona (con la supervisione di tutor) ad analizzare i dati del satellite planck dell’esa, con lo scopo di vincolare alcune proprietà del modello cosmologico standard. 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. gli esperimenti chiave della fisica quantistica: l'effetto fotoelettrico e l'esperimento di franck e 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 la quantizzazione 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. laboratorio di lenti gravitazionali
la teoria della relatività generale di einstein prevede che la luce venga deviata nel passaggio nelle vicinanze di corpi massicci (come stelle o galassie) che deformano lo spazio-tempo intorno a loro. questo fenomeno ha portato alla scoperta delle lenti gravitazionali che sono tra gli strumenti più potenti dell’astrofisica moderna per studiare la distribuzione di materia oscura nell’universo e le galassie più distanti amplificate ed ingrandite da questo effetto. durante questa attività, verrà sfruttata una analogia molto stretta tra gli effetti ottici delle lenti gravitazionali e quelli prodotti da lenti opportunamente sagomate, per illustrare e capire questo fenomeno paragonando immagini del telescopio spaziale hubble con quelle riproducibili con un banco ottico in laboratorio. verrà anche simulato l’effetto di spostamento apparente delle stelle proiettate dietro il disco solare durante l’eclissi, riproducendo l’esperimento di eddington del 1919, che portò alla prima eclatante verifica delle previsioni della teoria della gravità di einstein.