Corso di studi di Scienza dei materiali
Corso di Storia delle scienze sperimentali

Indice delle lezioni 2011-2012

 

Dispense del corso di Storia delle Scienze Sperimentali

 

Fascicolo 11                        Lezioni 21-22

 Fascicolo 11 in formato pdf             Diapositive delle Lezioni 21-22

 

Avvertenza generale

Queste dispense sono scritte come commento e integrazione delle diapositive proiettate a lezione.

Le dispense sono incomprensibili se non si hanno sotto gli occhi le diapositive.

Contengono inoltre brevi passi di fonti originali e di scritti di storia della scienza.

Se il rinvio alle diapositive è seguito dalla scritta "Nessun commento" si intende che il contenuto delle diapositive è adeguato ad essere di base per l'esame.

In ogni caso si deve studiare il contenuto delle diapositive.

Tuttavia le dispense e le diapositive non sono sufficienti per la preparazione dell'esame. Occorre riflettere sugli appunti presi a lezione. Chi non li avesse presi (o non possedesse una formidabile memoria) può sempre chiederli ad un collega.

Sono richiamate in modo specifico le pagine oggetto di esame dei testi forniti agli allievi, ma una lettura più estesa degli stessi testi non potrà che essere utile ad una migliore comprensione della storia della scienza.

Diapositiva 1

 Argomenti delle lezioni 21-22

Le leggi di Mendel

Le righe di Fraunhofer

Kirchhoff, Bunsen e la spettroscopia atomica

Angelo Secchi e la classificazione spettroscopica delle stelle

Rayleigh, Ramsay e la scoperta dell'argo

Le difficoltà epistemologiche connesse alla scoperta dell'argo

I tubi a vuoto

Röntgen

Antoine Becquerel

La determinazione del rapporto e/m

Diapositiva 2 Nessuno commento

Diapositiva 3

Le immagini:

(a) Mendel mentre impollina le sue piante di pisello; un'immagine per bambini, che però illustra molto bene l'attenta cura e la pazienza del botanico all'opera.

(b) I sette caratteri sono rappresentati in modo visivo e questo aiuta sia la memorizzazione dei sette caratteri, sia la comprensione delle scelte fatte dal botanico per determinare la presenza dell'uno o dell'altro carattere.

Diapositiva 4

La scoperta della seconda legge implica un'analisi statistica. Sembra che i dati statistici pubblicati da Mendel siano troppo precisi, indicando così una certa manipolazione (probabilmente di un suo collaboratore).

Si è tralasciata la terza legge.

Diapositiva 5

Hugo De Vries  - Botanico olandese (Haarlem 1848 - Lunteren, Gheldria, 1935), professore di botanica ad Amsterdam dal 1878 al 1918. Si occupò di fisiologia vegetale, specialmente della permeabilità del protoplasma e del turgore; scoprì il fenomeno della plasmolisi; le sue ricerche sulla pressione osmotica costituirono la base della teoria di Van't Hoff sulla pressione osmotica delle soluzioni diluite e di quella di Arrhenius sulla dissociazione elettrolitica. Si dedicò poi a ricerche di genetica, precorrendo, con la teoria della pangenesi intracellulare, la teoria cromosomica, e stabilendo il concetto di mutazione e la teoria mutazionistica dell'evoluzione. È considerato uno dei fondatori della genetica moderna; riscoprì, nel 1900, l'opera di Mendel, indipendentemente e contemporaneamente a C. Correns e E. Tschermack. Le sue opere più importanti sono: Die Mutationstheorie, 2 voll., 1901-1903; Species and varieties, their origins by mutation, 1904;

Carl Erich Correns - Botanico (Monaco di Baviera 1864 - Berlino 1933). Dal 1914 fu direttore di una sezione dell'istituto per la biologia della Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft a Berlino-Dahlem. È uno dei tre riscopritori (1900) delle leggi di Mendel. Compì numerose ricerche di genetica vegetale. Molto importante quella sulla determinazione del sesso in Bryonia, con cui fu dimostrato che il sesso può considerarsi come un carattere mendeliano.

Erich Tschermak von Seysenegg - Botanico (Vienna 1871 - ivi 1962) Professore nella scuola superiore di agricoltura di Vienna. Si occupò specialmente di genetica vegetale e fondò presso Vienna una stazione sperimentale per questo ramo della botanica. In Über künstliche Kreuzung bei Pisum sativum (1900) riscoprì, quasi contemporaneamente a H. De Vries e a K. Correns, le leggi di G. Mendel sulla disgiunzione dei caratteri negli ibridi.

Diapositiva 5 Nessun commento

Diapositiva 5

Per misurare l'indice di rifrazione di un vetro occorreva avere una luce 'monocromatica':

The cause which had hitherto prevented the accurate determination of the power of a given medium to refract the rays of light and separate the different colors which they contain was chiefly the circumstance that the colors of the spectrum have no precise limits, and that the transition from one to another is gradual and not immediate; hence, the angle of refraction could not be accurately measured. To obviate this, Fraunhofer made a series of experiments for the purpose of producing homogeneous light artificially, and unable to effect his object in a direct way, he did so by means of lamps and prisms.

Thus in 1814, Fraunhofer invented the spectroscope.

Diapositiva 8-9 Nessun commento

Diapositiva 10

La nascita della spettroscopia atomica ha fornito il primo metodo sperimentale basato sulla fisica adatto per la scoperta di un nuovo elemento. Per di più si tratta di un metodo molto sensibile. Tra gli elemento scoperti per via spettroscopica va ricordato il tallio, scoperto dal chimico inglese William Crookes (1832-1919) già nel 1861.

Diapositiva 11

Norman Lockyer, FRS (17 May 1836 – 16 August 1920), was an English scientist and astronomer. Along with the French scientist Pierre Janssen he is credited with discovering the gas helium. Lockyer also is remembered for being the founder and first editor of the influential journal Nature.

Diapositiva 12

Va sottolineato che la nomina di Secchi alla direzione dell’Osservatorio del Collegio Romano suscitò delle critiche perché, non essendo conosciuto come astronomo, si pensava che avrebbe fatto della fisica e non dell’astronomia. Questa era una classica obiezione dell’astronomia ufficiale che considerava degni di attenzione solo problemi di posizione, così che i vari importanti osservatori di Europa erano restii ad occuparsi di analisi spettrale. Nel periodo storico in cui le scoperte spettroscopiche venivano interpretate e giustificate teoricamente, Secchi ebbe l’opportunità di dirigere un Osservatorio famoso, senza dover rispondere pressoché a nessuno. Pronto e disponibile ad occuparsi di nuove vie della scienza, egli poté godere di un’ampia libertà di scelta nel campo delle indagini scientifiche, fatto salvo il rinvenimento delle risorse finanziarie per le sue ricerche. Le scoperte di astrofisica sulle stelle e il rinvenimento nelle stelle di materiali presenti sulla terra indussero Secchi a concepire una trattazione unitaria dei fenomeni e delle forze naturali a scala universale. (wikipedia)

Diapositiva 13

Secchi fu tra i primi ad occuparsi totalmente dello studio fisico dei corpi celesti, anche e soprattutto attraverso tecniche allora in via di sperimentazione quali la fotografia e la spettroscopia. Per quest'ultima branca della scienza fondò nel 1871, assieme agli astronomi Pietro Tacchini e Lorenzo Respighi, la "Società degli Spettroscopisti Italiani", che trasformatasi nel 1920 esiste tuttora con il nome di Società Astronomica Italiana (SAIt).

La Società degli Spettroscopisti Italiani fu ideata da Secchi per poter rendere più continuo e regolare lo studio dei fenomeni solari, coordinando le varie metodologie di ricerca degli osservatori italiani. Grande importanza furono le Memorie della Società contenenti importanti lavori scientifici.

Il Catalogo delle stelle di cui si è determinato lo spettro luminoso, Paris, 1867 è effettivamente un catalogo che utilizza la classificazione del 1866

Diapositiva 14

John William Strutt, terzo barone Rayleigh - Fisico (Langford Grove, Essex, 1842 - Witham, Essex, 1919). Successore (1879) di J. C. Maxwell nella cattedra di fisica sperimentale a Cambridge, lasciò l'insegnamento, dal 1884 al 1887, per dedicarsi esclusivamente alla ricerca scientifica; fu poi prof. di filosofia naturale, dal 1887 al 1905, nella Royal Institution di Londra. I suoi primi lavori, di carattere prevalentemente matematico, ebbero per oggetto i legami fra l'elettromagnetismo e la dinamica, e problemi di termologia. Successive ricerche di acustica lo portarono, fra l'altro, a stabilire fondamentali teoremi sulle vibrazioni; i risultati di tali ricerche sono raccolti nel classico Treatise on sound. Importanti contributi R. portò anche all'ottica, all'idrodinamica, alla meccanica statistica, alla metrologia elettrica, alla teoria dell'elasticità. Le sue ricerche sulla densità dei gas lo condussero alla scoperta del primo gas nobile dell'atmosfera, l'argo: appunto per tale scoperta, effettuata in collaborazione con W. Ramsay, gli fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1904. [Testo dall'Enciclopedia Treccani]

Diapositiva 15

William Ramsay - Chimico britannico (Glasgow 1852 - High Wycombe 1916). Premio Nobel per la chimica nel 1904. Sulla base di vecchi lavori di H. Cavendish, che aveva evidenziato (1788) un residuo dell'aria atmosferica dopo la completa eliminazione di ossigeno, azoto e anidride carbonica, e stimolato dalle ricerche di J. W. S. Rayleigh, che aveva messo in evidenza una discrepanza tra le densità dell'azoto ottenuto dall'aria atmosferica e di quello ricavato per via chimica, R. ipotizzò che l'aria contenesse un gas raro più pesante dell'azoto. Prove chimiche e spettrografiche, condotte parallelamente con Rayleigh, dimostrarono che si trattava di un elemento nuovo a cui R. diede il nome di argo. Basandosi sulla peculiare inerzia dell'argo, R. propose che tale elemento appartenesse a una nuova famiglia chimica e suggerì che tale famiglia dovesse collocarsi in una nuova colonna del sistema periodico, accanto a quella degli alogeni. R. esaminò un gas inerte ottenuto dal riscaldamento di minerali di uranio e dimostrò che aveva lo stesso spettro di emissione dell'elio che N. Lockyer aveva individuato (1868) nella corona solare. Dalla determinazione dei pesi atomici dell'elio e dell'argo e dalla loro sistemazione all'interno della nuova colonna di elementi, R. previde l'esistenza di altri gas inerti (neon, kripto e xeno) che furono da lui isolati (1898) tramite distillazione frazionata dell'aria liquida e identificati per via spettrografica. I lavori di R. si estesero all'analisi dei prodotti delle emanazioni radioattive: insieme a F. Soddy dimostrò (1903) che il prodotto del decadimento radioattivo del radio era costituito da gas elio; nel 1910 determinò, partendo da un piccolissimo volume di campione, il peso atomico del radioelemento radon, e lo individuò come il membro più pesante della famiglia dei gas nobili. [Testo dall'Enciclopedia Treccani]

Diapositiva 16 Nessun commento

Diapositiva 17

Ossidazione dell'azoto mediante scariche elettriche in presenza di ossigeno (il metodo già seguito da Cavendish); gli ossidi di azoto sono allontanati mediante una soluzione alcalina.

Diapositiva 18

Combinazione dell'azoto con magnesio metallico ad alta temperatura.

Diapositiva 19

La densità gassosa permetteva di determinare il peso molecolare dell'argo. Ma come determinare il peso atomico?

Diapositiva 20-23 Nessun commento

Diapositiva 24

1855 – vacuum tube

Heinrich Geissler and Julius Plucker use Geisslers new vacuum pump to evacuate the atmosphere inside a glass tube. Plucker, a young professor at the University of Bonn, discovered that a glowing stream could be produced when electricity was passed through electrodes embedded in the glass tubes and that the stream responded to a magnet. Plucker called the tubes “Geissler tubes”. Pluckers student, Johann Hittorf improved the design and noticed that the glowing stream grew brighter as the level of atmosphere in the glass tube diminished. He was also able to partially block the flow and observed shadows cast by the blockage.

Per divertirsi con la fantasia di scienziati e costruttori di strumenti scientifici:

http://www.sparkmuseum.com/GLASS.HTM

Diapositiva 25  Nessun commento

Diapositiva 26

Wilhelm Conrad Röntgen  - Fisico tedesco (Lenden 1845 - Monaco di Baviera 1923). Il suo nome è legato alla scoperta dei raggi X (o raggi Röntgen, in suo onore), avvenuta nel 1895, e dalla quale con esemplare disinteresse rinunciò a ricavare qualsiasi vantaggio economico. Per questa scoperta, che avrebbe aperto la strada alla fisica moderna e rivoluzionato la diagnostica medica, nel 1901 gli fu conferito il premio Nobel per la fisica.

Autore di ricerche varie di meccanica dei fluidi, di termodinamica e di elettrologia; giunse alla scoperta dei raggi X,  nel corso di esperienze con tubi a raggi catodici: egli osservò che dall'anodo di tali tubi venivano emesse radiazioni, di natura per allora misteriosa (donde il nome di raggi X), capaci di impressionare le lastre fotografiche. R. approfondì successivamente lo studio delle proprietà di tali raggi, dimostrando che essi non vengono deviati da campi elettrici e magnetici, che sono capaci di ionizzare i gas e di suscitare la fluorescenza di particolari sostanze (per es., il platinocianuro di bario) e che sono dotati di un elevato potere penetrante. Quel che più colpì, sin dall'inizio, nella scoperta di R. fu la possibilità di ottenere per mezzo dei raggi X, in virtù del loro diverso assorbimento da parte dei tessuti organici, "fotografie" per trasparenza dell'interno del corpo umano: ciò che apriva alla medicina orizzonti del tutto nuovi. [Testo dall'Enciclopedia Treccani]

Diapositiva 27

Antoine Henri Becquerel - Fisico (Parigi 1852 - Le Croisic 1908), figlio di Alexandre-Edmond. Premio Nobel nel 1903 per la scoperta  delle radiazioni dei sali di uranio, i cosiddetti raggi di B., avvenuta nel 1896. Compì anche importanti studî sul magnetismo (effetto Faraday, effetto Zeeman, ecc.) e sulla temperatura solare.

Qui di seguito il testo originale della prima memoria di Becquerel (Comptes Rendus 122, pp. 420-421 (1896).

 

On the rays emitted by phosphorescence read before the French Academy of Science *24 Feb. 1896* (Comptes Rendus 122, 420 (1896)) translated by Carmen Giunta

With the double sulfate of uranium and potassium, of which I have a few crystals forming a thin transparent crust, I was able to perform the following experiment: One wraps a Lumière photographic plate with a bromide emulsion in two sheets of very thick black paper, such that the plate does not become clouded upon being exposed to the sun for a day.

One places on the sheet of paper, on the outside, a slab of the phosphorescent substance, and one exposes the whole to the sun for several hours. When one then develops the photographic plate, one recognizes that the silhouette of the phosphorescent substance appears in black on the negative. If one places between the phosphorescent substance and the paper a piece of money or a metal screen pierced with a cut-out design, one sees the image of these objects appear on the negative.

One can repeat the same experiments placing a thin pane of glass between the phosphorescent substance and the paper, which excludes the possibility of chemical action due to vapors which might emanate from the substance when heated by the sun's rays.

One must conclude from these experiments that the phosphorescent substance in question emits rays which pass through the opaque paper and reduces silver salts.

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Il testo originale della seconda memoria di Becquerel (Comptes Rendus 122, pp. 501-503 (1896))

 

On the invisible rays emitted by phosphorescent bodies.

[read before the French Academy of Science 2 March 1896 (Comptes Rendus 122, 501 (1896)) translated by Carmen Giunta]

In the previous session, I summarized the experiments which I had been led to make in order to detect the invisible rays emitted by certain phosphorescent bodies, rays which pass through various bodies that are opaque to light.

I was able to extend these observations, and although I intend to continue and to elaborate upon the study of these phenomena, their outcome leads me to announce as early as today the first results I obtained.

The experiments which I shall report were done with the rays emitted by crystalline crusts of the double sulfate of uranyl and potassium [SO4(UO)K+H2O], a substance whose phosphorescence is very vivid and persists for less than 1/100th of a second. The characteristics of the luminous rays emitted by this material have been studied previously by my father, and in the meantime I have had occasion to point out some interesting peculiarities which these luminous rays manifest.

One can confirm very simply that the rays emitted by this substance, when it is exposed to sunlight or to diffuse daylight, pass through not only sheets of black paper but also various metals, for example a plate of aluminum and a thin sheet of copper. In particular, I performed the following experiment:

A Lumière plate with a silver bromide emulsion was enclosed in an opaque case of black cloth, bounded on one side by a plate of aluminum; if one exposed the case to full sunlight, even for a whole day, the photographic plate would not become clouded; but, if one came to attach a crust of the uranium salt to the exterior of the aluminum plate, which one could do, for example, by fastening it with strips of paper, one would recognize, after developing the photographic plate in the usual way, that the silhouette of the crystalline crust appears in black on the sensitive plate and that the silver salt facing the phosphorescent crust had been reduced. If the layer of aluminum is a bit thick, then the intensity of the effect is less than that through two sheets of black paper.

If one places between the crust of the uranium salt and the layer of aluminum or black paper a screen formed of a sheet of copper about 0.10 mm thick, in the form of a cross for example, then one sees in the image the silhouette of that cross, a bit fainter yet with a darkness indicative nonetheless that the rays passed through the sheet of copper. In another experiment, a thinner sheet of copper (0.04 mm) attenuated the active rays much less.

Phosphorescence induced no longer by the direct rays of the sun, but by solar radiation reflected in a metallic mirror of a heliostat, then refracted by a prism and a quartz lens, gave rise to the same phenomena.

I will insist particularly upon the following fact, which seems to me quite important and beyond the phenomena which one could expect to observe: The same crystalline crusts, arranged the same way with respect to the photographic plates, in the same conditions and through the same screens, but sheltered from the excitation of incident rays and kept in darkness, still produce the same photographic images. Here is how I was led to make this observation: among the preceding experiments, some had been prepared on Wednesday the 26th and Thursday the 27th of February, and since the sun was out only intermittently on these days, I kept the apparatuses prepared and returned the cases to the darkness of a bureau drawer, leaving in place the crusts of the uranium salt. Since the sun did not come out in the following days, I developed the photographic plates on the 1st of March, expecting to find the images very weak. Instead the silhouettes appeared with great intensity. I immediately thought that the action had to continue in darkness, and I arranged the following experiment:

At the bottom of a box of opaque cardboard I placed a photographic plate; then, on the sensitive side I put a crust of the uranium salt, a convex crust which only touched the bromide emulsion at a few points; then, alongside, I placed on the same plate another crust of the same salt but separated from the bromide emulsion by a thin pane of glass; this operation was carried out in the darkroom, then the box was shut, then enclosed in another cardboard box, and finally put in a drawer.

I did the same with the case closed by a plate of aluminum in which I put a photographic plate and then on the outside a crust of the uranium salt. The whole was enclosed in an opaque box, and then in a drawer. After five hours, I developed the plates, and the silhouettes of the crystalline crusts appeared in black as in the previous experiments and as if they had been rendered phosphorescent by light. For the crust placed directly on the emulsion, there was scarcely a difference in effect between the points of contact and the parts of the crust which remained about a millimeter away from the emulsion; the difference can be attributed to the different distance from the source of the active rays. The effect from the crust placed on a pane of glass was very slightly attenuated, but the shape of the crust was very well reproduced. Finally, through the sheet of aluminum, the effect was considerably weaker, but nonetheless very clear.

It is important to observe that it appears this phenomenon must not be attributed to the luminous radiation emitted by phosphorescence, since at the end of 1/100th of a second this radiation becomes so weak that it is hardly perceptible any more.

One hypothesis which presents itself to the mind naturally enough would be to suppose that these rays, whose effects have a great similarity to the effects produced by the rays studied by M. Lenard and M. Röntgen, are invisible rays emitted by phosphorescence and persisting infinitely longer than the duration of the luminous rays emitted by these bodies. However, the present experiments, without being contrary to this hypothesis, do not warrant this conclusion. I hope that the experiments which I am pursuing at the moment will be able to bring some clarification to this new class of phenomena.

Diapositiva 28

Joseph John Thomson - Fisico inglese (Cheetam, Manchester, 1856 - Cambridge, Inghilterra, 1940). Prof. di fisica al Trinity College di Cambridge (dal 1882), riuscì a misurare (1897) il rapporto tra carica e massa dell'elettrone e, in seguito, giunse a una prima valutazione della carica dell'elettrone. Interpretò il passaggio di elettricità nei gas con la teoria della ionizzazione, per la quale ottenne il premio Nobel per la fisica nel 1906.

Studiò al Trinity College di Cambridge, dove divenne poi prof. di fisica; fu direttore dal 1894 al 1919 del laboratorio Cavendish di Cambridge.

Autore d'importanti lavori sull'elettromagnetismo di Maxwell, rivolse in seguito la sua attenzione allo studio della natura dei raggi catodici, allora vivamente discussa. Dopo che J. Perrin nel 1895 aveva dimostrato che essi trasportano cariche elettriche negative, T. nel 1897 ottenne la loro deviazione in un campo elettrico, onde si convinse che i raggi catodici sono costituiti da cariche elettriche negative portate da particelle di materia, dette poi elettroni, dei quali determinò le principali caratteristiche. Nello stesso anno 1897, infatti, con un esperimento rimasto classico, sottopose i raggi catodici all'azione di due contemporanei campi, uno elettrico, l'altro magnetico, e riuscì così a misurarne il rapporto tra carica e massa, nonché la velocità. Poco dopo, osservando la migrazione collettiva di goccioline di nebbia cariche in campo elettrico, giunse a una prima valutazione della carica dell'elettrone (e quindi della sua massa). Mediante la misurazione del rapporto tra carica e massa dimostrò inoltre che negli effetti fotoelettrico e termoelettronico sono emessi elettroni. Sempre nel 1897, avvalendosi della collaborazione di E. Rutherford, mise a punto il metodo di misurazione dell'intensità delle radiazioni emesse dalle sostanze radioattive basato sulla ionizzazione da queste prodotta in un gas. Fin dal 1899 utilizzò la scoperta degli elettroni per lo studio del complicato fenomeno del passaggio di elettricità attraverso i gas, interpretandolo, con la collaborazione della sua attiva scuola di Cambridge, con la teoria della ionizzazione, per la quale gli fu conferito il premio Nobel.

 La scoperta dell'elettrone riproponeva, inoltre, il problema della struttura della materia e T. propose nel 1904 un modello di atomo, costituito da una distribuzione continua di elettricità positiva, nella quale si muovono su varie traiettorie circolari concentriche tanti elettroni quanti sono necessari per compensare la carica positiva. Il modello atomico di T., poi superato dal modello di Rutherford, ebbe una grande importanza, perché mise in evidenza il problema delle instabilità radiative comune a qualunque modello atomico comprendente elettroni basato sulla fisica classica. Nel 1912, con un esperimento simile a quello usato per i raggi catodici, T. osservò che i raggi canale del neo sono costituiti da due generi di particelle diverse, di peso atomico 20 e 22. Il lavoro fu continuato dal suo assistente F. W. Aston, il quale nel 1920 pervenne alla costruzione dello spettrografo di massa.

[Dall'Enciclopedia Treccani]