Comunicare Fisica 2010 12 16 April 2010 Laboratori

Comunicare. Fisica 2010 12 -16 April 2010 Laboratori Nazionali di Frascati of INFN La tecnica RBS in classe: un ponte tra la ricerca e la scuola per insegnare alcune delle basi della fisica Federico Corni* Marisa Michelini** Alessandra Mossenta** *Università di Modena e Reggio Emilia **Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Dipartimento di Fisica, Università di Udine

Ricerca e Formazione: settori separati �Ambito della ricerca e ambito della formazione, tradizionalmente divisi per: �Tipo di attività: � produzione di nuova conoscenza vs trasmissione di conoscenza consolidata �Età dei soggetti principali coinvolti: � Adulti formati in modo caratterizzato e specifico vs giovani in formazione �Numero di soggetti che ne fanno esperienza: � Ristretto numero di specializzati vs gran parte della popolazione �Costruzione dell’immagine nella società: � Mediata da mass – media vs risultato d’esperienza diretta

Ricerca e Formazione: vantaggi nell’incontro �La scuola può offrire alla ricerca: �Ampia platea d’ascolto mediato da operatori specializzati nella comunicazione e competenti nella disciplina � Per costruire un’immagine di sé in grado di definirne il ruolo nel contesto extra – ricerca � Attrattore di risorse finanziarie e umane �La ricerca può offrire alla scuola: �Contesti disciplinari d’avanguardia per mantenere il passo con gli studenti proiettati al futuro � Per proporre un ruolo incisivo della fisica rispetto alla realtà attuale � Motivazione e orientamento

Quale collaborazione? �Efficacia della collaborazione dipende dai modi scelti per realizzarla: �La ricerca comunica alla scuola i suoi esiti principali: � Ruolo passivo della scuola � Assenza di controllo sulla qualità della ricaduta �La scuola entra nel mondo della ricerca (visite a centri di ricerca, informazione dalla rete …. ) � Ruolo attivo della scuola in relazione allo spunto � Parziale controllo sulla qualità della ricaduta �Mediare tra i due contesti per rendere efficace il raccordo

L’esperienza della Scuola Estiva di Udine: una proposta �Attività centrata sull’utilizzo della tecnica di analisi dei materiali RBS quale contesto applicativo di concetti fondamentali della fisica per �costruire un raccordo tra l’attività quotidiana nei laboratori di ricerca e quella di apprendimento disciplinare nelle classi �facendo sperimentare agli studenti l’attività dei ricercatori, condotta in modo basato consapevolmente sulla conoscenza disciplinare della fisica classica �con l’obiettivo di rendere gli studenti consapevoli delle basi classiche della fisica moderna

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) �Tecnica di analisi degli strati superficiali dei materiali �Spessori: (500 ± 5) nm �Masse e concentrazioni (entro qualche %) �Applicazione dell’esperimento “di Rutherford” �Importanza storica (Geiger e Marsden 1909…) �Esempio fondamentale della diffusione �Riferimento per molte tecniche di ricerca di fisica nucleare �Occasione per far acquisire agli studenti consapevolezza delle basi classiche della fisica contemporanea

RILEVANZA FORMATIVA DELL’RBS: 1 �Aspetti disciplinari �Campo di applicazione di modelli: urto, atomo �Rassegna e integrazione di numerosi aspetti di dinamica: � Conservazione dell’energia, della quantità di moto, del momento angolare � Cinematica dell’urto �Introduzione di concetti ampiamente usati nella ricerca (fattore cinematico, sezione d’urto, potere frenante) �Collegamento con aspetti di fisica quantistica � Trattazione probabilistica della sezione d’urto

RILEVANZA FORMATIVA DELL’RBS: 2 �Aspetti motivazionali �Contenuto riferito ad attività messe in atto quotidianamente in relazione a contesti anche non disciplinari � Ricerca sulle nuove tecnologie � Beni culturali �Aspetti didattici �Produzione di conoscenza connettendo idee di base e applicazioni per via dei diversi contesti di analisi fenomenologica �Ponte dalla descrizione classica del comportamento macroscopico alle proprietà microscopiche con la loro descrizione quantistica �Acquisizione di competenze interpretative per connettere misure espresse graficamente a caratteristiche fisiche degli oggetti sulla base di modelli

RILEVANZA FORMATIVA DELL’RBS: 3 �Aspetti epistemologici e di orientamento �Conoscenza di una procedura per ottenere informazioni ampiamente utilizzata � Storia: modello atomico e indagini sulla struttura dei componenti della materia � Tecnologia: caratteristiche e proprietà dei materiali � Ricerca: struttura generale delle metodologie di ricerca nella fisica fondamentale �Osservazione del ruolo interpretativo dei modelli e del loro campo di applicabilità �Esperienza di una delle possibili attività di un fisico

La tecnica RBS nella Scuola Estiva 2009 per studenti dell’ultimo biennio di SSS � 1 modulo dedicato alla tecnica RBS � 5 ore: 4 di attività e 1 di discussione conclusiva �Base di partenza: modulo nella SE del 2007 (prof. Corni) �Occasione per �ripercorrere alcune tappe fondamentali dell’indagine sulla natura atomica della materia � con riferimento a un articolo storico �venire a contatto con le modalità operative dei ricercatori dei laboratori utilizzando materiali illustrativi della tecnica e misure simulate � pianificando un’attività sperimentale con l’ausilio di una scheda operativa � �un gioco – gara - di interpretazione

Modulo sull’RBS: fasi � Introduzione di carattere generale sulle modalità di indagine � della fisica � della natura della materia � specificando le caratteristiche della tecnica RBS � Introduzione ai modelli utilizzati in RBS � Relativi alla materia e all’interazione –materia � Connessione fenomeno - modello � Esplicitazione di domande – obiettivo dei modelli rispetto all’interpretazione � Lavoro a gruppi secondo le proprie inclinazioni sulle domande � Teorici o Sperimentali � Individuazione delle grandezze caratteristiche emerse dai modelli e del loro ruolo � Significato fisico � Connessione con la fenomenologia � Ruolo interpretativo in relazione ai risultati di misura (spettri) � Riassunto dei parametri di � misura � calibrazione � normalizzazione � Indicazione di una procedura ed esempi di interpretazione � 2 schede da completare per una gara di “interpretazione di spettri” � Dopo: Discussione sul lavoro di gruppo e restituzione delle “soluzioni” alla gara

Modelli interpretativi e grandezze correlate per interpretare gli spettri Urto elastico ione – bersaglio Fattore cinematico Urto elastico tra due masse Indicazioni sull’energia di retrodiffusione del puntiformi proiettile dopo l’urto con una certa massa Conservazione dell’energia e della Identificazione degli elementi alla superficie quantità di moto del campione Diffusione Coulombiana ione – Sezione d’urto bersaglio Indicazioni sulla probabilità di collisione fra ione proiettile e nucleo bersaglio che Retrodiffusione di una massa diffonda il proiettile ad un angolo rispetto puntiforme per interazione con un alla sua direzione originale nucleo bersaglio Indicazioni sull’altezza dello spettro RBS di Forza centrale e conservativa: un film di un certo elemento puro conservazione dell’energia e del momento angolare Calcolo delle frazioni atomiche degli elementi presenti in un film di composizione Teorema dell’impulso qualsiasi Frenamento anelastico ione-matrice Sezione di stopping Collisioni anelastiche particella Indicazioni sul potere frenante di un certo elettroni (eccitazione e elemento nei riguardi dello ione che lo ionizzazione) attraversa Perdita di energia Calcolo degli spessori dei film e delle distribuzioni in profondità degli elementi.

Modulo sull’RBS: il filo � Indagine sulla natura della materia resa possibile da: � Possibilità di analizzare caratteristiche di oggetti che si modificano interagendo con essa � Caratteristiche dell’apparato sperimentale e protocollo di misura RBS � Disponibilità di modelli interpretativi dei dati � Modelli dell’interazione-materia � Modello di materia: quale? � Introduzione ai modelli � secondo le tappe di Rutherford nell’interpretare i dati di Geiger e Marsden sulla base della sua ipotesi atomica [E. Rutherford, Phil. Mag. 21, 669 (1911)] � � per rendere esplicito il processo che ha portato al modello atomico “planetario” rispetto a quello di Thomson per introdurre il concetto di sezione d’urto collegata alla probabilità di diffusione e a <Ni> � Lavoro a gruppi secondo le proprie inclinazioni � Teorico: ricavare il fattore cinematico K � Sperimentale: ottenere in un esperimento d’urto proiettile-sagoma la distribuzione angolare di retrodiffusione (Produrre un istogramma della probabilità di retrodiffusione in funzione dell’angolo di scattering) � Finalizzato a rispondere alle domande iniziali � Discussione delle grandezze caratteristiche e del loro ruolo � Significato fisico � Connessione con la fenomenologia � Ruolo interpretativo in relazione ai risultati di misura (spettri)

Esempio: Urto elastico ionebersaglio (fattore cinematico K) Con che energia uno ione proiettile viene retrodiffuso per urto con un atomo bersaglio? Situazione sperimentale Energia E 0 tale da produrre un urto elastico tra nuclei Modello: urto elastico fra due masse puntiformi Modello fisico Per M 1 << M 2 e θ 180°

Valori di K e utilizzo per l’interpretazione degli spettri Il fattore cinematico dà indicazioni sull’energia con cui viene retrodiffuso il proiettile quando urta una certa massa e permette di identificare gli elementi alla superficie del campione M 2 (Elemento) KM 2 (θ=180° M 1=4 He) KE 0 (E 0=2 Me. V) 15. 999 (O) 0. 3622 0. 7244 28. 086 (Si) 0. 5655 1. 131 47. 900 (Ti) 0. 7169 1. 4338 63. 540 (Cu) 0. 7783 1. 5566 107. 870 (Ag) 0. 8629 1. 7258 196. 970 (Au) 0. 9224 1. 8448

Strategia alternativa: simulazione vs formalizzazione matematica Flessibilità in relazione al contesto scolastico in cui si opera

Gli spettri da interpretare: all’inizio spettri “risolti” SPETTRI DI FILM UNIFORMI DI ELEMENTI PURI SU UN SUBSTRATO 1 Osservazioni Spettro RBS di un film di un elemento A su un substrato di elemento S, con M(A)>M(S) A è in superficie perché il bordo ad alta energia del suo spettro cade proprio al valore K(A)*E 0, mentre quello di S cade ad energia decisamente più bassa. A è più pesante di S perché il suo K è maggiore, inoltre è maggiore anche la sua resa di scattering (sezione d’urto). 2 Osservazioni Spettro RBS di un film di un elemento B su un substrato di elemento S, con M(B)>M(S) e M(A)>M(B)

Gli spettri da interpretare SPETTRI DI FILM UNIFORMI DI ELEMENTI PURI SU UN SUBSTRATO 3 5 Spettro RBS di un film di un elemento A su un film di un elemento B un substrato di elemento S, con M(B)>M(S) e M(A)>M(B) Spettro RBS di un film di un elemento A su un film di un elemento B un substrato di elemento S, con M(A)>M(S) e M(B)>M(A) 4 Spessore di B aumentato rispetto al 4 6 Spettro RBS di un film di un elemento A su un film di un elemento B un substrato di elemento S, con M(A)>M(S) e M(B)>M(A) Spessore di A aumentato rispetto al 4

Gli spettri da interpretare SPETTRI DI FILM SOTTILI SU UN SUBSTRATO Gli spettri da analizzare sono spettri simulati di film di 50 nm di Au, Ag, Cu e Ti, non necessariamente di elementi puri. In uno stesso campione possono essere presenti più film sovrapposti. Individuare per ciascun campione gli elementi costituenti e la stechiometria: spiegare, nel secondo riquadro; 1 3 Au puro su Si Cu puro su Si 2 4 Ag puro su Si Ti puro su Si

Gli spettri da interpretare SPETTRI DI FILM SOTTILI SU UN SUBSTRATO Gli spettri da analizzare sono spettri simulati di film di 50 nm di Au, Ag, Cu e Ti, non necessariamente di elementi puri. In uno stesso campione possono essere presenti più film sovrapposti. Individuare per ciascun campione gli elementi costituenti e la stechiometria: spiegare, nel secondo riquadro; 5 7 Lega di Au e Ag al 50% su Si Strato di Au puro su strato di Ag puro su lega Ag (al 60%) e Cu (al 40%) su Si 6 Lega di Au(30%) e Ag (70%) su Si

Gli spettri da interpretare Gli spettri da analizzare sono spettri simulati di film di 50 nm o multipli di Au, Ag, Cu e Ti, non necessariamente di elementi puri. In uno stesso campione possono essere presenti più film sovrapposti. Individuare tutte le informazioni che si possono ricavare, giustificando 1 3 Ag 2 Au 50 nm Ti (50 nm) su Au (100 nanometri) su Silicio 2 4 Ag. Au 50 nm Au 100 nm seguito da Cu 100 nm

Gli spettri da interpretare Gli spettri da analizzare sono spettri simulati di film di 50 nm o multipli di Au, Ag, Cu e Ti, non necessariamente di elementi puri. In uno stesso campione possono essere presenti più film sovrapposti. Individuare tutte le informazioni che si possono ricavare, giustificando 5 Cu 100 nm 2 Ti. Cu 2 50 nm

Griglia di analisi dei dati � 32 studenti su 42 hanno restituito la scheda – base (analisi) � 7 studenti su 42 hanno restituito anche la scheda di spettri simulati �RQ 1: Viene individuato l’elemento in superficie? �RQ 2: Viene individuata la successione degli strati nel campione? �RQ 3: Viene individuata la successione delle masse? �RQ 4: Vengono presi in considerazione gli spessori degli strati?

Composizione del campione Individuano Non (N=32) chiaro Altro Spettro 3 31 (97%) 1 (3%) (Anche B come substrato) Spettro 4 32 (100%) Spettro 5 25 (78%) 1 (3%) 6 (19%) 2: inversione tra A e B 4: strato intermedio con AB Spettro 6 26 (81%) 1 (3%) 5 (16%) 1: indica solo A in superficie 4: strato intermedio con AB Numero di studenti (tra parentesi: le percentuali) che individuano una successione per la composizione del campione analizzato (ordinate). Risposte dal 76% dei partecipanti

Masse degli elementi del campione Individuano (N=32) Non fatto Spettro 3 30(94%) 2(6%) Spettro 4 29 (91%) 1 (3%) Spettro 5 30(94%) Spettro 6 28 (88%) Altro 2(6%) riferimento solo a 1 elemento: “B ha massa maggiore” Numero di studenti (tra parentesi: le percentuali) che individuano una successione per le masse degli elementi del campione analizzato (ordinate) Risposte dal 76% dei partecipanti

Spessori degli elementi del campione e osservazioni sui “picchi” (sp. 5 e 6) Osservazioni sugli spessori (N=32) Osservazioni sui “picchi” nel grafico Nessuna osservazione fuori schema Spettro 2 2 (6%) 30 (94%) Spettro 3 5 (16%) 27 (84%) Spettro 4 6 (19%) 26 (81%) Spettro 5 12 (38%) Spettro 6 15 (47%) (2 confrontano 11 (34%) gli spettri 5 e 6) 24 (75%) 6 (19%) 6(19%) Numero di studenti (tra parentesi: le percentuali) che fanno osservazioni al di fuori dello schema interpretativo proposto. Risposte dal 76% dei partecipanti

Conclusioni (comuni alla SE 2007) �Interpretazione della composizione dei campioni (anche per strati composti) e della successione degli strati o delle masse acquisita dagli studenti: livello della proposta adeguato anche a SSS �Interpretazione dei picchi come sovrapposizione di spettri corrispondenti a sovrapposizioni degli strati: associazione tra spessori reali e larghezza degli spettri, difficoltà interpretativa

Conclusioni: �La proposta �È alla portata di classi liceali �Consente di far esercitare su abilità interpretative gli studenti �È un’opportunità per abituare gli studenti �A trasferire conoscenza da un dominio all’altro �A tener conto di fattori concomitanti nella misura � Fattore cinematico e sezione d’urto �Risulta interessante agli occhi degli studenti

Bibliografia �W-K. Chu, J W Mayer, M-A. Nicolet “Backscattering Spectrometry”, Academic Press, New York 1978 �F. Corni, G. Ottaviani, M. Michelini, G. L. Michelutti, L. Santi, A. Stefanel, “Rutherford Backscattering Spectrometry: a technique worth introducing into pedagogy”, GIREP 1995 Book, pag. 266. �F. Corni, “Un’introduzione alla Rutherford Backscattering Spectrometry”, La Fisica nella Scuola XXIX (1996), pag. 103. �F. Corni, M. Michelini, L. Santi, F. Soramel, A. Stefanel, “The concept of the cross section”, GIREP 1995 Book, pag. 192. �E. Rutherford, “The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom” Phil. Mag. Series 6, vol. 21, pag. 669 -688 (1911)