[as] infografiche asimmetrie 40
Fenomeni fisici, con relative scale temporali tipiche, alla base della misura di intervalli di tempo.
(©Asimmetrie-Infn(Hylab))
Schema di principio di ogni orologio moderno. Il cuore dell’orologio è l’oscillatore che può essere un pendolo, ma anche un quarzo o un atomo. Il segnale generato dal risonatore è inviato a un sistema (meccanico o elettronico) che rivela e conta le oscillazioni del risonatore. Un visualizzatore (lancette o display) mostra poi l’ora.
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Principio di funzionamento di un orologio atomico. Nello stato iniziale, l’elettrone dell’atomo (in giallo) si trova nel livello energetico a energia più bassa. L’elettrone interagisce con un segnale elettromagnetico di frequenza opportuna generato da un oscillatore locale (il quarzo, la cui frequenza è stata moltiplicata). L’elettrone effettua quindi la transizione al livello più energetico con una certa probabilità. Si sintonizza la frequenza del quarzo a quella dell’atomo massimizzando il numero di atomi transiti.
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Diagramma HR (a sinistra) dell’ammasso globulare M68 (a destra). In ascissa è riportata la temperatura utilizzando l’indice di colore. In ordinata è riportata la luminosità in termini di magnitudine assoluta. Gli ammassi globulari sono sistemi stellari contenenti alcune centinaia di migliaia di stelle in un volume di qualche parsec (pc) cubo (1 pc = 3,26 anni luce). La posizione delle stelle degli ammassi globulari nel diagramma HR si sovrappone a una curva, detta “isocrona”, derivata per stelle di massa diversa ma con la stessa età. Il confronto tra le isocrone dei modelli di evoluzione stellare e il diagramma HR restituisce l’età degli ammassi. Nella figura sono mostrate tre isocrone: quella superiore corrisponde a una popolazione di stelle di 12 miliardi di anni, quella intermedia a una di 13 miliardi di anni e quella inferiore a una popolazione di 14 miliardi di anni. La figura suggerisce che M68 abbia un’età di circa 13 miliardi di anni. Si stima che gli ammassi globulari più vecchi della Via Lattea abbiano circa 14 miliardi di anni, con un’incertezza di circa 1 miliardo di anni.
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I raggi cosmici entrano in atmosfera e interagiscono con gli atomi, creando neutroni energetici. Quando un neutrone colpisce un atomo di azoto, questo si trasforma in carbonio-14 che, insieme all’ossigeno, crea anidride carbonica-14. Il carbonio-14 contenuto nell’anidride carbonica viene assorbito dagli alberi e dalle piante attraverso la fotosintesi e gli animali assumono il carbonio-14 mangiando le piante. Finché un organismo è vivo, la percentuale di carbonio-14 nel suo corpo resta pari a quello dell’atmosfera. Quando l’organismo muore, smette di assorbire nuovo carbonio-14 e quello presente inizia a decadere lentamente, trasformandosi di nuovo in azoto. Misurando quanto carbonio-14 è rimasto nei resti organici, si può calcolare quanto tempo è passato dalla morte e quindi determinarne l’età.
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La clessidra dei prefissi
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Il rivelatore TOF (in rosso) dell’esperimento ALICE. A destra, il grafico rappresenta la velocità β=v/c, misurata tramite la tecnica del tempo di volo, in funzione del momento p per diverse specie di particelle.
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Gli impulsi di luce ad attosecondi consentono di osservare i movimenti ultraveloci degli elettroni nella materia. La figura mostra lo schema dell’apparato sperimentale utilizzato per misure di pump-probe, che combinano impulsi di pochi femtosecondi nel visibile (VIS) e impulsi ad attosecondi nell’estremo ultravioletto (XUV), ottenuti per mezzo della generazione di armoniche di ordine elevato (HHG). In particolare, è illustrata la prima applicazione degli impulsi ad attosecondi allo studio della dinamica elettronica in molecole. In questo esperimento, impulsi ad attosecondi ionizzano molecole di idrogeno H2 in H2+, mentre impulsi nel visibile (VIS) di pochi femtosecondi ne sondano la dinamica elettronica risultante. Il riquadro illustra in modo schematico l’evoluzione temporale della distribuzione di carica dopo la ionizzazione indotta dall’impulso ad attosecondi. Le zone verdi sono quelle in cui la distribuzione di carica dell’elettrone è maggiormente concentrata.
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Illustrazione dei processi fisici che portano alla generazione di impulsi ad attosecondi. La linea rossa rappresenta un ciclo ottico del campo elettrico dell’impulso laser che viene focalizzato su un gas nobile e innesca il processo di generazione. L’elettrone più esterno (rappresentato come una pallina) viene liberato in prossimità di un massimo del campo elettrico tramite ionizzazione (1). L’elettrone estratto dapprima si allontana (2) e, in seguito all’inversione della polarità del campo (3), l’elettrone ritorna nella sua posizione iniziale, dove può ricombinarsi con lo ione da cui è partito dando luogo all’emissione di un impulso ad attosecondi (4).
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Schema della trilaterazione. Il ricevitore misura i tempi di arrivo dei tre segnali satellitari, da cui si ricavano i raggi delle tre sfere. La conoscenza delle coordinate dei tre satelliti, assieme a quella dei raggi, permette di ricavare le coordinate del punto di intersezione tra le tre sfere, che coincide con la posizione del ricevitore.
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Schema dell’esperimento visivo. I punti luminosi si accendono e si spengono in sequenza 1-2-3-4. Quando la pausa tra una accensione e la successiva è inferiore a 105 ms si percepiscono due punti oscillanti in alto (2-4) e due in basso (1-3). Si veda anche il video online alla pagina http://asimmetrie.it/effetto-vicario.html.
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La velocità di uscita dell’acqua da un contenitore con un foro alla base dipende da h secondo la legge di Torricelli. A sinistra h è variabile. Nel caso di un orologio ad acqua di Ctesibio (a destra), h viene mantenuta costante.
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