Fisica  |  Tecnica

 

Massimiliano Ferrulli, 2004 | Caslano, TI

 

La mia ricerca ha come domanda di partenza la fattibilità della costruzione della strumentazione necessaria per la diffrazione di elettroni, con un budget inferiore rispetto alle attrezzature specifiche per laboratori proposte dalle varie aziende produttrici.

Argomento

Lo scopo del mio lavoro è quello di poter dare ai ragazzi liceali uno spunto di questa branca della fisica e permettere loro di ricreare oppure riprogettare e migliorare questo mio esperimento casareccio. La diffrazione di elettroni sembrava essere un buon compromesso in termini di complessità teorica e di costruzione. Nell’esperimento da me progettato gli elettroni emessi da un catodo, vengono accelerati verso un anodo con una differenza di potenziale acquistando energia cinetica. Dopo aver superato l’anodo essi passano attraverso un reticolo cristallino e sullo schermo osserviamo un pattern di diffrazione. Questo esperimento mostra come gli elettroni anche in questo caso si comportino come onde dato che anch’essi sono soggetti alla diffrazione

Metodologia

Ho proceduto a ricercare un materiale che avesse le distanze tra piani reticolari comparabili alla lunghezza d’onda e la grafite è risultata essere il materiale idoneo al nostro esperimento con una tensione di circa 10kV. Ho sviluppato alcuni design per la struttura che sorregge il catodo, l’anodo e il reticolo, su Autodesk Inventor per realizzare il modello 3d da stampare. Come capsula per il vuoto ho utilizzato una beuta da vuoto avente sul suo fondo uno strato di solfuro di zinco in modo tale da poter visualizzare il pattern di diffrazione sfruttando la sua fosforescenza. Questo strato è stato prodotto nei nostri laboratori e poi inserito nella beuta in una soluzione di etanolo che viene fatto evaporare per fare si che il ZnS si depositi sul fondo. Per il catodo è stato utilizzato un chiodo in acciaio, per l’anodo invece della semplice carta alluminio da cucina. Per il reticolo di diffrazione ho utilizzato uno strato di grafite gentilmente offerto di persona dal professore Klaus Ensslin, ma acquistabile online. Questo esperimento necessita sia di una differenza di potenziale che di vuoto spinto, di conseguenza abbiamo fatto uso di una pompa del vuoto, connessa alla beuta con un tubo di gomma, e di un generatore di tensione che era connesso al chiodo e all’anodo con delle pinze.

Risultati

La costruzione dell’esperimento è costata poco meno di 80 chf escludendo i composti chimici. Dopo aver generato una differenza di potenziale di 10kV e aver collegato la beuta alla pompa che faceva del vuoto, ci aspettavamo degli elettroni con una lunghezza d’onda di 12.264 pm che passando attraverso la grafite generavano dei pattern di diffrazione sferici. Non siamo riusciti ad ottenere i risultati da noi inizialmente previsti al primo tentativo, dato che lo schermo prodotto era semplice solfuro di zinco e non aveva impurezze di rame o di argento. Un altro problema riscontrato è stata l’elevata temperature necessaria per innescare l’effetto termoionico e quindi emettere elettroni, la plastica che mantiene fermo il catodo si sarebbe sciolta compromettendo l’esperimento e risultando pericoloso dato che facciamo uso di vuoto spinto. Siamo riusciti a produrre un nuovo schermo aggiungendo 0.003M di CuSo4 in soluzione da 0.5mL, questo schermo ha dato qualche segno di fluorescenza con l’uso di una luce UV ma non siamo riusciti a sfruttarlo dato che non è stato risolto in tempo il problema della plastica a contatto con il catodo.

Discussione

Il prezzo di un electron tube varia dai 950 ai 1600 chf, siamo riusciti a ricostruirlo con meno del 7.79% di budget. Per farlo funzionare potremmo avere bisogno della parte a contatto con il catodo realizzata in metallo che farebbe variare il budget ma non in modo eccessivo. Se si volesse realizzare senza un laboratorio si potrebbe distruggere un vecchio televisore a tubo catodico e estrarne lo schermo fosforescente, metterlo in una soluzione di etanolo ad esempio e lasciarlo evaporare.

Conclusioni

Questo esperimento risulta essere facile da comprendere a chiunque abbia frequentato un corso scientifico e i problemi da me riscontrati potrebbero essere uno spunto per i giovani che leggono questo lavoro nel trovare una soluzione. Siamo riusciti ad ottenere uno schermo promettente seppure la creazione di quest’ultimo non è stata, si dovrebbe provare a ricrearlo più volte per verificarne la sua riproducibilità. Per risolvere il problema del catodo che scioglie la plastica si potrebbe utilizzare del vetro oppure del metallo prodotto da qualche ferramenta con la medesima geometria da me progettata.

 

 

Valutazione del lavoro espressa dall’esperto

Valentino Huang

Durante gli ultimi mesi Massimiliano ha dimostrato una notevole capacità di apprendere concetti teorici molto complessi ed avanzati in modo autonomo e dettagliato. Per quanto riguarda la parte sperimentale ha avuto idee creative per provare ad ottenere i risultati desiderati con le limitazioni economiche da lui imposte. Massimiliano ha saputo combinare aspetti fisici e ingegneristici per modellare e ricostruire un esperimento di fisica quantistica sulla dispersione di elettroni. È stato in grado di superare le difficoltà tecniche con grande entusiasmo e interesse per la materia.

Menzione:

molto buono

 

 

 

Liceo cantonale di Lugano 2, Lugano-Savosa
Docente: Fiorenzo Sainini