Le rivoluzioni scientifiche del
XX secolo:
la rivoluzione atomistica e
la meccanica quantistica
ATTENZIONE !!!
Now, what I want is, facts. Teach these boys and girls
nothing but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant
nothing else, and root out everything else. You can
only form the minds of reasoning animals upon Facts:
nothing else will ever be of any service to them. This
is the principle on which I bring up my own children,
and this is the principle on which I bring up these
children. Stick to Facts, sir!
Charles Dickens
L’EMPIRISMO
Aristotele
384 a.C. – 322 a.C.
John Locke,
Thomas Hobbes,
Francis Bacon
I Principi dell’empirismo
1.
2.
Ogni corpo in natura è in principio isolabile
purché lo si allontani sufficientemente dagli
altri corpi
Il corpo isolato si muove di moto rettilineo
uniforme a meno che non sia soggetto a
forze esterne
All’inizio del 900 vennero a maturazione,
contemporaneamente, due rivoluzioni:
1.La rivoluzione atomistica (prova finale
dell’esistenza degli atomi sulla base dei lavori
sull’interpretazione dei moti Browniani di
Einstein e dei lavori di spettroscopia atomica)
2.La rivoluzione quantistica, nata nel 1900 con il
celebre lavoro di Max Plank sulla radiazione di
corpo nero
…al termine del XIX secolo…
Il problema del “corpo nero”
Forno ad una ben determinata
Temperatura dalla cui feritoia emerge
Una radiazione termica
PRINCIPIO di EQUIPARTIZIONE DELL’ENERGIA:
l’energia cinetica media associata da ogni grado di libertà,
ad una data temperatura é proporzionale ad ½ KT
Le pareti del forno sono fatte di materia calda, che la teoria
cinetica di Maxwell e Boltzmann descrive mediante I moti
disordinati di atomi e molecole che, urtandosi, producono
campi elettromagnetici, altrettanto disordinati che riempiono
il forno.
La frequenza che contraddistingue questi campi
vale zero per T=0 e poi cresce proporzionalmente a T
Applicando le leggi della meccanica classica si otteneva che, ad ogni
temperatura, l’intensità crescesse continuamente al crescere della
frequenza della radiazione
La proposta di Max Planck (1901)
Un oscillatore di frequenza non può assumere TUTTI i valori di energia
ma solo valori discreti, cioè proporzionali ad una costante
E
Nella meccanica classica le proprietà discrete della
materia (atomi, molecole) non si conciliano con quelle
continue della radiazione elettromagnetica
Plank intuisce che i paradossi scompaiono
se si ammette che lo scambio di energia tra
materia e radiazione avviene in
“pacchetti” la cui grandezza dipende dalla
frequenza della radiazione scambiata.
Anche il campo elettromagnetico viene “spezzettato”,
sbriciolato allo scopo di ricostruire il meccanismo
di interazione con la materia
Effetto fotoelettrico
Poichè all'epoca la luce era considerata
un'onda la forza di espulsione degli elettroni
sarebbe dovuta dipendere solo dall’intensità
della luce e non dalla sua frequenza, quindi
non c'era ragione di pensare che
luci rosse, verdi o blu avrebbe dovuto avere
effetti diversi. Al contrario una debole luce
rossa o una debole luce verde avrebbero
dovuto espellere gli elettroni con meno forza
di una intensa luce rossa o di una intensa
luce verde.
Ma questo non accadeva! Al variare
dell'intensità cambiava soltanto il numero
degli elettroni espulsi, ma la velocità di
espulsione degli elettroni rimaneva
esattamente la stessa!
Effetto fotoelettrico
(1905)
Schema dell’effetto fotoelettrico. Fotoni incidenti su una superficie di potassio.
I fotoni con frequenza maggiore (lunghezza d’onda minore) comunicano velocità maggiori agli
elettroni espulsi dopo averli urtati. Le lunghezze d’onda sono date in nanometri (nm) e le
corrispondenti energie cinetiche dei fotoni in elettronvolt (eV). Fotoni con energia inferiore a 2 eV
non sono in grado di estrarre elettroni.
Effetto Compton
(1922)
L’esperimento evidenziò che la
radiazione uscente veniva deviata in
tutte le direzioni e che la frequenza
dell’energia in uscita era molto più
piccola di quella del fascio in entrata.
La logica spiegazione di tali riscontri
era che i singoli fotoni urtassero contro
gli elettroni della materia e, colpendoli,
fossero deviati e perdessero essi stessi
energia; in pratica si comportavano
come palle da biliardo che ne
colpivano altre.
La luce presenta quindi una
doppia natura:
Corpuscolare
Ondulatoria
Dualismo onda-particella
Ipotesi di De Broglie
(1924)
"The fundamental idea of [my 1924 thesis] was the
following: The fact that, following Einstein's introduction
of photons in light waves, one knew that light contains
particles which are concentrations of energy
incorporated into the wave, suggests that all particles,
like the electron, must be transported by a wave into
which it is incorporated... My essential idea was to
extend to all particles the coexistence of waves and
particles discovered by Einstein in 1905 in the case of
light and photons."
Esperimento di Davisson e Germer
(1922)
11 elettroni
200 elettroni
600 elettroni
40000 elettroni
140000 elettroni
Nella nuova visione del mondo, i due sistemi irriducibili
della fisica classica, particelle e campi, vengono a
fondersi in un unicum in cui la discontinuità del quanto
e la continuità del campo si tramutano incessantemente
l’uno nell’altra
La materia ed il movimento non sono separabili,
anzi la materia è dotata di una capacità intrinseca
di automovimento
L’equazione di Schroedinger
(1925)
funzione d’onda:
( x, t )
( x, t )
2
Probabilità di trovare la particella nel punto di coordinate x,y,z al tempo t
Il Gatto di Schroedinger
1
G
morto vivo
2
…almeno finchè non si apre la scatola !!!
Ma il concetto di “fotone” isolato come
pure di atomo isolato è un’astrazione
che non ha fondamento nella realtà
Il calore specifico (1910)
Nernst fu il primo a rendersi conto che
il mondo dei quanti é un mondo
fluttuante, ma le fluttuazioni sono ben
diverse dalle fluttuazioni termiche:
Intrinseche le prime
Indotte dall’esterno le altre
L’anomalia del calore specifico per T→0
III principio della Termodinamica
Premio Nobel per la chimica nel 1920
Legge di Dulong & Petit
CV
(3kTN A ) 3kN A / mole 24.94 J / moleK
T
Contributo di Einstein → oscillatore armonico quantistico
Contributo di Debye →numero massimo di modi di vibrazione in un solido
(analogia con i modi nella cavità di corpo nero)
T3
12 4
CV
N Ak
5
TD
Un corpo può pure essere
allontanato indefinitamente
dagli altri corpi, ma non può
in nessun caso liberarsi del
vuoto.
Attraverso il vuoto tutti i
corpi acquistano la capacità
di interagire tra loro.
Teorema di Bell
La realtà fisica obbedisce alle leggi
Albert
Einsteinquantistica
della
meccanica
2. La realtà fisica è suscettibile di una
Niels
Bohr e laoggettiva,
scuola di Copenhagen
descrizione
cioè
indipendente dall’osservatore
3. La realtà fisica è descrivibile come
David Bohm
un insieme di eventi localizzabili
nello spazio e nel tempo
1.
Now, what I want is, facts. Teach these boys and girls nothing
but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant nothing else,
and root out everything else. You can only form the minds of
reasoning animals upon Facts: nothing else will ever be of any
service to them. This is the principle on which I bring up my
own children, and this is the principle on which I bring up these
children. Stick to Facts, sir!
