Storia della Meccanica Quantistica

STORIA DELLA MECCANICA QUANTISTICA
-1912 N.Bohr raggiunge il Laboratorio di Rutherford a Manchester in una
situazione della Fisica molto complessa e molto confusa:
-La carica elettrica, l’atomo e l’energia erano quantizzati. L’energia implicava h la costante di Plank che Einstein aveva utilizzato, nel 1907, per
compredere i calori specifici. Che significato dare ad h?
-Gli esperimenti sostenevano il modello di Rutherford per l’atomo costituito da un nucleo positivo che conteneva il 99.9% della massa circondato da una nuvola di elettroni con un raggio ~105 volte quello del nucleo
Evidentemente gli elettroni non possono essere immobili altrimenti per
le forze di Coulomb cadrebbero nel nucleo, ma sapendo che la materia è
stabile, si è obbligati a pensare a un modello planetario, ma in quel caso
gli eletroni sono sottoposti alla forza centripeta, sono quindi accelerati e
con un semplice calcolo si vede che in 10-5 scondi cadono nel nucleo.
Non c’erano stati progressi dai tempi in cui il modello planetario di Perrin era
stato rigettato in favore del modello di Thompson. Inoltre il nucleo di cariche solo
positive dovrebbe disfarsi per effetto delle forze elettrostatiche, quindi è necessaria
una forza di nuovo tipo che lo leghi, ma questa forza era assai misteriosa perchè
sebbene più forte di quella di Coulomb, non se ne vedeva traccia.
-Gli spettri di emissione di luce degli atomi davano informazioni che non
si riuscivano ad inquadrare in nessun modello teorico. Erano composti
di molte righe che per l’idrogeno seguivano un formula introdotta da
J.J.Balmer
già nel 1885.
1 1 
  R  2 
4 n 
dove R è la costante
numerica di Rydbgerg ed n
un numero intero da 4,5,6....
1
La vicinanza di Rutherford indusse Bohr a riflettere sul modello atomico
planetario. Rivedendo la formula di Balmer ebbe l’illuminazione che lo
portò alla soluzionela soluzione che si basava su due principi:
-Gli stati stazionari di un sistema formato da un elettrone che ruota intorno a un nucleo positivo seguono la meccanica classica.
-le transizioni energetiche avvengono tra stati stazionari con valori dell’energia che corrispondono a E  nh( / 2) dove n è un numero
intero, h la costante di Plank e  la frequenza di rivoluzione dell’elettrone. Introducendo l’ipotesi che l’energia emessa durante la transizione
tra due stati stazionari è pari ad h dove  è la frequenza della radiazione monocromatica emessa. In questo modo si ottenevano relazioni
particolari per l’enegia E e per il raggio dell’orbita percorsa
2me2
n 2h 2
dell’elettrone attorno al nucleo:
E  2 2 ; 2a 
e la frequenza di radiazione
nh
2 2me2
emessa in una transizione diventa:
1
2 2me4  1 1 
 2  2 
  E2  E1  
3
h
h
 n2 n1 
una relazione in accordo con la formula di Balmer e dove R la costante
di Rydberg è calcolata in funzioni di costanti matematiche e fisiche.
Bohr propose l’introduzione
di numeri quantici corrispondenti a livelli energeti interni
all’atomo
La proposta di Bohr sollevò non poco scetticismo. Era fondata su postulati altamente problematici, aveva una base empirica soddisfacente2 ma
ristretta, cioè non funzionava per atomi diversi dall’idrogeno e poi non
aveva risolto il problema elettrodinamico.
-1913 P. Ehrenfest tentando di individuare un significato di h stabilisce
relazioni del tipo  dpdq  h dove compaiono legate ad h le variabili coniugate (p.q) il momento e la coordinata, che sono state modificate nel
1915 da A. Sommerfeld in  pi dqi  ni h ; (i  1,2,3,4......) .
-1914 J.Franck, G.Hertz studiarono
sperimentalmente l’azione di assorbimento di elettroni da raggi catodici
su mercurio ed inaspettatamente trovarono che gli elettroni non erano
assorbiti in modo continuo con l’energia ma in modo discreto ad energie fissate emultiple di un certo valore.
Loro non conoscevano i lavori di Bohr ed erano molto proccupati per
questo risultato inaspettato. L’anno dopo in un cogresso presentarono i
risultati ed un partecipante disse che questi confermavano il modello di
Bohr, che dopo questo risultato sperimentale fu preso più seriamente.
La figura asinistra mosta uno spettro
ottenuto con tecniche moderne nel
1968 per l’idrogeno per i livelli
atomici che vanno dal n = 62 ad
n = 72. Evidentemente, ora, non ci
sono più dubbi sulla natura
quantica dei livelli atomici.
-1922 O.Stern,W.Gerlach la concezione non quantica portava a credere
che l’asse di un orbita elettronica rispetto a un campo magnetico potesse assumere valori continui, mentre la concezione quantistica induceva
a pensare and angoli quantizzati. Stern e Gerlach eseguirono un esperifacendo passare un fascio atomico in un campo magnetico
3
disomegeneo e mostrarono che efferrivamente gli angoli erano quantizzati e questa fu la conferma definitiva del modello di Bohr.
Bohr osservò che le righe di Balmer corrispondevano alle transizioni tra le
orbite circolari con n=1,2,3,4... Ma erano permesse anche altre transizioni
saltando qualche livello, queste dovevano trovarsi nella regione UV, mentre le transizioni tra i livelli più esterni dovevano portare una serie di righe
nell’infrarosso. Queste righe sono sta trovate poco dopo da T.Lyman e da
F.Paschen. Bohr sapendo che i raggi delle orbite quantiche circolari aumentavano con i quadrati dei numeri quantici fu in grado di stabilire quale
grandezza meccanica fosse quantizzata, e la individuò nell’azione cioè il
prodotto della quantità di moto dell’elettrone per la lunghezza del orbita.
La variazione dell’azione da un orbita all’altra era uguale ad h di Planck.
Atomo di Bohr
Atomo di
Sommerfeld
Apparve presto la necessità di aggiungere alle orbite circolari di Bohr
qualche orbita elittica quantizzata. La proposta fu fatta Sommerfeld. La
prima orbita restò inalteralta alla seconda sono state aggiunte tre orbite
elittiche con la stessa enegia di quella circolare. Alla terza orbita vennero aggiunte ben 8 orbite elittiche. Fu introdotto così un altro numero
quantico quello orbitale l . Così si inziava a comprendere anche gli
spettri ottici degli altri elementi. Ma dopo tutto questo importante lavoro
rimaneva sempre un modello assai meccanicistico e non del
4
tutto soddisfacente.
-1925 W.Pauli formula il suo principio di esclusione il quale dice che
in ogni stato quantico non ci poteva stare più di un elettrone.
La prima formulazione prevedeva due elettroni in ogni orbita, ma successivamente Pauli comprese che i dati della spettroscopia ottica in campo matico imponeva la necessità di un altro numero quantico lo spin, vale a dire
che gli elettroni doveno essere pensati come piccole trottole magnetiche.
esto permise il collegamento tra
tomo quantistico e la tabella
gli elementi di Mendeleiev
egando anche la valenza
mica come il completamento
F
numeri quantici orbitali. Uno
Li
iù elettroni vengono ceduti da un atomo all’altro ed in tal modo tutti e
e completano le orbite ed ottengono la neutralità magnetica.
-1924 L.deBroglie suppone che gli elettroni sulle orbite siano “onde di
materia” cioè qualcosa di simile ad onde stazionarie
ovviamente di natura fisica assai misteriosa. Ogni
orbita conteneva un numero di onde intero e mai una
frazione. La prima orbita conteneva una sola onda,
la seconda due la terza tre e via di seguito. Abbiamo visto che la azione di ogni elettrone sulle orbite
deve essere uguale ad h per la prima, a 2h per la seconda, 3h per la terza ecc..Se la lunghezza d’onda di
materia è   h / p torna con le ipotesi di Bohr.
-1927 C.J.Davvison,L.H.Germer con un
fascio di elettroni accelerati elettrosaticamente su uncristallo hanno ottenuto una
figura di diffrazione analoga a quella prevista per un fenomeno ondoso con la lunghezza d’onda prevista da deBroglie.
5
MICROSCOPIO ELETTRONICO
Abbiamo visto che con la microscopia ottica non si possono superare
i limiti della diffrazione. Per avere una risoluzione migliore si devono
usare lunghezze d’onda più corte, ma con le onde elettromagnetiche
non si riesce a fare molto dato che non esistono lenti efficaci per far
convergere UV e raggi X.
La microscopia elettronica ha sfruttato un idea di De Broglie (1925) che
afferma che anche le particelle con massa hanno una propria lunghezza
d’onda associata:
mv = h 
/
 = h / mv
essendo la lunghezza d’onda dell’elettrone chiamata anche lunghezza
di De Broglie ed h è la costante di Plank del corpo nero.
Se la velocità dell’elettrone è data da una differenza di potenziale V
mv2/2=eV
v2 =2eV/m
 = h/(2meV)1/2
mv = m(2meV)1/2
Mettendo i valori numerici:
h=6.62x10-34js, m=9.11x10-31Kg ed e=1.602x10-19C =(12/V1/2).10-8cm
Per esempio con V=100V
λ=1.22.10-8cm=0.122nm
e per V=10000V
 =0.0122nm.
Quindi con un reticolo cristallino si dovrebbero avere figure di diffrazione
policristalli polverizzati
policristalli
monocristallo
6
Quindi anche con voltaggi moderati si hanno molto corte. Per costruire
un microscopio sono necessarie le lenti, vale a dire mezzi dispersivi che
permettono di costruire sistemi che facciano convergere i fasci di elettroni
Per le particelle cariche, compresi gli elettroni, i gradienti di campi elettrici e magnetici sono dei mezzi dispersivi, e con questi si possono costruire
lenti convergenti e divergenti che seguono le stesse leggi dell’ottica
geometrica, una volta definite opportunamente le distanze focali:
LENTE ELETTROSTATICA
Un gradiente di
campo elettrico come
questo agisce come
una coppia di lenti
convergente e
divergente
LENTI MAGNETICHE
-Il dipolo magnetico per fasci di particelle cariche, è l’equivalente ottico
del prisma, cambia la direzione del fascio e separa in momento.
-Una coppia di quadrupoli magnetici, sfasati (NSNS - SNSN), è
l’equivalente ottico di una coppia di lenti convergente e divergente.
-I multipoli si usano per correggere le aberrazioni.
Le lenti magnetiche sono le più usate anche in microscopia elettronica perché
7 variando la corrente delle bobine cambia il fuoco . Sono anche usate negli acceleratori
sia per costruirli che per sviluppare i fasci di particelle, esterni al acceleratore.
Con le cognizioni teoriche e fisiche che abbiamo, possiamo costruire un microscopio elettronico. Qui sotto c’è lo schema di uno a trasmissione (TEM). In A lo schema per le figure di diffrazione, in B lo schema per le immagini:
Immagine con microscopio
elettronico SEM di una
superficie di Silicio, che vista
direttamente appare lucida.
Con questa tecnica si raggiungono facilmente ingrandimenti
x50000. Unico inconveniente
gli elettroni viaggiano solo nel
8 esvuoto e quindi non possono
re usati campioni umidi o vivi.
10nm
Anche se recentemente il problema
si inizia a risolvere con il ESEM.
Con microscopi elettronici con tensioni di 300KV e curando molto le
aberrazioni ottiche, con correttori
multipolari si riescono a vedere
i singli atomi.
Nelle figure accanto si possono
vedere i piani cristallini di un
monocristallo con distanze
reticolati di 0.35nm.
Nella figura inferiore si possono
vedere un aggregato di due
monocristalli.
È facile immaginare l’avanzamento
che potrà fare la ricerca dei
materiali con strumenti di
questa potenza.
Per andare oltre si dovranno
usare fasci ionici, che con masse
decine di migliaia di volte maggiori
della massa degli elettroni possono
avere delle lunghezze d’onda di
De Broglie molto piccole.
Qui accanto una figura di diffrazione
di atomi di He su un reticolo, ottenuta in un esperimento terminato al
inizio del 2000.
9
-1926 E.Schrodinger suggerì di rappresentare il fenomeni descritti usando
l’equazione delle onde in questo modo:
2


ih 
h
  
  V 
2 t  2m

dove  ( x , y , z ) è una funzione d’onda capace di studiare il sistema.
La soluzione di questa equazione risolse brillantemente prima l’atomo di
H, l’He, ecc.. Nel 1927 W.Heitler e F. London risolsero quantitativamente la molecola di H2 , e nel 1929 Pauling diede le soluzioni per la
valenza chimica, però per molti corpi sono necessarie soluzioni aprossimate introdotte da D.R.Hartree e V.Fok. Chimica nuova!! L’equazione di
Schroedinger non è invariate per trasformate di Lorentz, quindi non comprende la
relatività ristretta e non è adatta a risolvere fenomeni legati avelocità vicine a c e
quelli che implicano la trasormazione di energia in massa e vicevera.
-1925 W.C.Heisengerg propone aiutato da M.Born un approccio matriciale ai problemi della meccanica quantistica. Questo metodo risolve
con difficoltà problemi come l’atomo di idrogeno e poco altro ma è
stato importante perchè si è visto che diversi approcci matematici erano
capaci di affrontare la nuova meccanica e che questi sistemi erano sostanzialmente equivalenti. Da questo sviluppo matematico nasce il
Principio di Indeterminazione di Heisenberg
p.x  h
che afferma che la misura contemporanea di due variabili coniugate,
(per esempio il momento e la distanza o l’energia e il tempo), possono
essere realizzate solo contemperando il principio di indeterminazione.
Questo è un fatto importantissimo perchè mette in discussione il principio di causa
10
ed effetto. Ovviamente ci sono prove sperimentali di verifica. Porta
altresì a considerare le onde di materia come onde di probabilità.
-1927 P.M.A.Dirac pubblica The quantum theory of the emission and
absortion of radiation dove presenta una equazione delle onde relativisticamente invariate. Questa equazione ha una grande importanza nella
fisica moderna ma già dal trattamento dell’eletrrone fatta da Dirac ha
risolto il problema dell’assorbimento ed emissione dell’elettrone in modo quantitativo e preciso, ma ha introdotto gli stati di energia negativa
degli elettroni. Misterioso concetto che non riusciva a trovare soluzione
continuo positivo
elettrone normale
0
buca
continuo negativo
fino a quando nel1931 C.Anderson, in una camera di Wilson osservando
raggi cosmici trovò la traccia di un elettrone positivo, il positrone,
prima particella di antimateria ora usata in medicina per la PET. Nel
11 1955
al Bevatron di Berkley E.Segrè trovò il protone negativo: l’antiprotone.
Si era trovata l’atimateria. Al CERN recentemente hanno prodotto anti H.
LA STATISTICA CLASSICA E QUANTISTICA
La teoria cinetica di Maxwell-Boltzmann per un gas in un recipiente ammette che
tutti gli stati energetici siano possibbili. Non è così per un gas di elettroni che avendo spin semintero seguono il principio di esclusione di Pauli. Infatti seguono la statistica di Fermi-Dirac le particelle con spin intero non son vincolate dal principio
di Pauli e seguono la statistica di Bose-Einstein
Per esempio gli elettroni in un conduttore seguono la statistica di FermiDirac. Seguono invece la statistica di Bose-Einstein dove ogni particella
perde la sua individualità l’elio liquido a 2.2oK, che diventa superfluido
cioè la sua viscosità va a zero, e i metalli superconduttivi che alla
tem12
peratura adeguata hanno resistenza zero. Recentemente è stato realizzato
un laser di materia di atomi di spin intero.
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Nel 1960 la fisica quantistica, dopo aver dato un enorme contributo nel
nel 1947 allo sviluppo della società con l’invenzione del transistor diede
un ulteriore contributo: il LASER, che ha un impatto sociale analogo.
Nel 1917 Einstein introdusse in fisica un nuovo concetto quello di emissione stimolata. Nella figura sono schematizzati diversi processi atomici:
a) Assorbimento:un atomo con due livelli atomici E1 ed E2, dove solo il
livello più basso è occupato, in presenza di uno spettro continuo,
quando un fotone di energia hν=E2-E1 raggiunge l’atomo, il fotone
svanisce e si ritrova l’atomo con il livello E2 occupato.
b) Emissione spontanea: lo stesso atomo con il livello E2 occupato, in
assenza di radiazione, l’elettrone va spontaneamente al livello
inferiore emettendo un fotone di energia hν=E2-E1.
c) Emissione stimolata: come nel caso b) ma in presenza di radiazione
13
hν=E2-E1 il fotone interagisce con l’atomo provocando la transizione
del elettrone al livello E1 e l’emissione di due fotoni identici hν=E2-E1.
Il caso più comune di emissione spontanea è quello del popolamento del
livello E2 per urti termici, il fuoco o una lampadina ad incandescenza ne
sono gli esempi. In questo caso i fotoni sono emessi indipendentemente
l’uno dall’altro e quindi presentano direzioni e fasi diverse.
I tempi di emissione τ, trascorsi tra l’eccitazione e l’emissione sono
tipicamente 10-8 s. Ci sono casi in cui τ = 10-3 s, questi sono chiamati
stati metastabili e rivestono una fondamentale importanza nella
progettazione e costruzione dei LASER.
Nell’emissione stimolata i due fotoni sono identici in fase, direzione,
frequenza e polarizzazione e a loro volta possono stimolare l’emissione
di altri due fotoni identici. Si può con ciò indurre un processo a catena
che è chiamato di amplificazione stimolata.
Nella realtà non abbiamo a che fare non con un singolo atomo ma con
una moltitudine di atomi. Per un sistema a due livelli quale sarà la
popolazione dei due livelli all’equilibrio termico?
Il popolamento di un livello di energia E è dato dal fattore e-E/kT(distribuzione di Maxwell-Boltzmann). Il
rapporto tra atomi di energie E1 ed E2
R
n E2
nE1
e

E2  E1
kT
Da R si arguisce che più alto è T più
popolato sarà il livello alto anche se
sempre R < 1 e quindi dall’agitazione
termica viene pompato il livello E2.
Se esponiamo il sistema a radiazione,
data la predominanza del livello E1
avremmo soprattutto assorbimento.
Se come in figura le popolazione
fossero invertite il processo dominante sarebbe l’emissione stimolata.
Un inversione di popolazione, non è una configurazione ottenibile14con
processi termici, è necessario un trucco per provocarla.
In figura è mostrato un
trucco per ottenere l’inversione della popolazione
dei livelli. Gli atomi vengono pompati dal livello
fondamentale E1 al livello
eccitato E3, per esempio
mediante energia luminosa
a spettro continuo.
Gli atomi decadono rapidamente (τ = 10-8 s) al livello
eccitato E2 che è uno stato metastabile ( τ = 10-3 s ) quindi può dar luogo
la desiderato effetto LASER, infatti se le condizioni sono favorevoli il livello E2 può diventare più popolato di E1. A questo punto un occasionale
fotone avente l’energia hν=E2-E1 può scatenare una valanga di eventi di
emissioni stimolate che si traduce in un fascio di luce LASER. Molti laser
che fanno uso come sostanza emittente di solidi cristallini come il rubino,
utilizzano di questo processo a tre stadi.
Un altro tipo di laser utilizza una
miscela di gas 80% He e20% Ne
Una scarica nei gas pompa il li20.61 eV
20.66 eV
vello dell’He E3, che è metastabile e per urti trasferisce preferibilmente l’energia, per collisioni
termiche al livello E2 del Ne, che
casualmente gli è prossimo in
valore. In questo modo il Livello
E2 può diventare più popolato
dell’E1. L’inversione si mantiene per via della metastabilità di
E3. L’emissione stimolata 15
tra E2
de E1 predomina e si genera una
luce laser rossa con λ = 632.8nm
Gli elementi che compongono uno dei tipi più comuni di LASER He-Ne
sono il tubo di vetro a scarica riempito con la miscela di gas. La maggior
parte dei fotoni di emissione stimolata non sono paralleli all’asse del tubo
a scarica e vengono bloccati alle pareti. I fotoni di emissione stimolata
che sono paralleli all’asse del tubo possono oscillare molte volte avanti e
indietro entro il tubo per successive riflessioni tra gli specchi concavi M1
e M2, con punti focali al centro del tubo. Questi fotoni possono a loro volta provocare emissione stimolata, ne risulta una reazione a catena che cresce rapidamente in questa direzione e realizza l’intrinseco parallelismo
del fascio laser. Si può pensare più che a fotoni che passeggiano a una vera cavità risonante ottica che a guisa di una canna d’organo, si può accordare per renderla nettamente risonante a una o più frequenze.
Lo specchi M1 è rivestito con una pellicola dielettrica il cui spessore è accuratamente controllato in modo da rendere lo specchio quasi totalmente
riflettente per la lunghezza d’onda della luce laser.
Lo specchio M2 è rivestito in modo tale da lasciare passare una piccola
frazione della luce laser, che ha ogni riflessione può sfuggire e formare il
fascio utile.
Le finestre W che racchiudono le estremità del tubo di scarica, sono inclinate in modo che le normali formino un angolo tgθp = n con l’asse del tubo, n è l’indice di rifrazione del vetro del tubo alla frequenza del laser.
Ovviamente queste finestre, inclinate con l’angolo di Brewster θp
trasmettono tutta la luce se polarizzata nel piano della figura. In questo
16
modo si seleziona la direzione, la frequenza,la fase e la polarizzazione.
L’emissione stimolata fa il resto.
CARATTERISTICHE DEI LASER
1. La luce laser è estremamente monocromatica. Luce ricavata da un
tubo a scarica selezionata con uno spettrometro può raggiungere una
monocromaticità al massimo di 10-6. Con il laser si fa meglio di 10-9.
2. La luce laser è notevolmente coerente. I treni d.onda possono raggiungere lunghezze di centinaia di Km, vale dire coerenza fino a 10-3 s.
3. La luce laser è fortemente direzionale. La limitazione al parallelismo
di un fascio laser è data solo dalla diffrazione provocata dalla dimensione del foro di uscita. Per le sorgenti normali oltre a questo problema è
rilevante la dimensione della sorgente.
4. La luce laser può essere focalizzata in modo netto. Questa proprietà
discende dal parallelismo del fascio laser. Si possono ottenere facilmente intensità di luce laser focalizzata dell’ordine di 1015 W/cm2. Una
fiamma ossiacetilenica ha una intensità di soli 1000 W/cm2.
APPLICAZIONI DEI LASER
I laser più piccoli usati per comunicazioni telefoniche su fibre ottiche,
hanno come mezzo attivo, un cristallo di AsGa delle dimensioni della
punta di uno spillo. I laser più grandi, impiegati per la ricerca sulla
fusione nucleare occupano un edificio. Essi possono generare impulsi
laser della durata di 10-10 s in cui il livello di potenza durante l’impulso
raggiunge i 1014 W (100 volte la potenza complessiva di tutte le centrali
elettriche del mondo).
Tra i tanti impieghi dei laser ricordiamo: la lettura dei CD, il taglio e saldatura di lastre metalliche, taglio dei vestiti (50 strati alla volta), le trasmissioni in fibra ottica, nella chirurgia per la sostituzione del cristallino e
la saldatura della retina distaccata, per lo spianamento dei terreni agricoli,
per raffinate misure misure di lunghezza per interferometria con applicazioni enormi nella meccanica di precisione, permette l’olografia ottica
17
con facilità e tante altre applicazione che ogni giorno si ampliano. Possiamo dire che i laser hanno un impatto tecnologico e sociale enorme.
FISICA NUCLEARE
I Protoni ed i Neutroni si combinano formando i nuclei in numeri simili,
combinazioni molto assimmetriche sono instabili o non si formano.
I punti neri centrali
rappresentano i nuclei
stabili. Quelli che stanno
sulla linea orizzontale con uguale
numero di protoni sono gli isotopi.
Le zone gialle e verdi contengono nuclei
con diversi gradi di instabilità, per eccesso
di protoni oppure per eccesso di neutroni.
Fino al Ferro (Fe) la somma delle masse dei protoni e neutroni dei vari
nuclei è superiore a quella del nucleo formato, quindi la sintesi di nuclei
produce energia ed è in questo modo che le stelle producono l’energia.
Per esempio 4 protoni producono un nuclo di elio e danno 5MeV/4GeV ~0.1% di
energia. Il nostro sole consuma 10-3 della sua massa in 1010anni.(-1946 H.Bethe)
18
Per nuclei con numero atomico superiore al Fe le masse dei nuclei sono
superiori alla somma dei protoni e neutroni che le compongono. Si ottiene
energia da questi nuclei scindendoli e non per fusione. Per esempio l’U238
si scinde spontanemente con una
vita media come la vita della terra ~4x109anni in Xe, Sr,2n e 
dando ~1MeV/238GeV cioè
~10-5 in energia rispetto al peso,
comunque almeno 105 volte più
efficiente della combustione.
(1937 O.Hann).
-1934 E. Fermi scopre che i neutroni rallentati, per esempio urtando atomi
leggeri come H, D, C, sono catturati più facilmente dai nuclei, producendo
radioattività artificiale. Questa scoperta con quella di O.Hann diede inizio
alla produzione di energia dai nuclei con i reattori e con le bombe.
19
Con queste informazioni si è compreso come avviene la sintesi degli elementi a patire dall’idrogeno in natura:
-L’idrogeno si ragruppa in nubi per azione della gravità. La nube ha una rotazione
che conserva e la cui volocità aumenta per consevazione della quantità di moto e
per questo si formano le galassie così piatte. Localmente dei vortici minori formano
le stelle rigorosamente di idrogeno e magari anche di elio.
-Si formano stelle di varie dimensioni. Piccole tipo Giove rimangono sempre un accumulo di elementi. Grandi come il Sole, al cui centro la temperatura sale fino molti milioni di gradi e si innesca la fusione nucleare e per sintesi forma tutti i nuclei fino al Fe, stabili e radioattivi che decadono secondo le proprie vite medie. Stelle come il Sole durano circa 1010 anni. Stelle più grandi del Sole, al loro centro raggingo
no temperatura altissime, innescano la sintesi che avanza rapidamente e durano solo
milioni di anni e poi esplodono come supernove producendo una enorme quantità
di neutroni che per cattura formano gli elementi più pesanti del Fe. L’esplosione
sparpaglia gli elementi formando nuove nubi destinate ad aggregarsi.
-La presenza sulla Terra di elementi più pesanti del Fe ci fa capire che il materiale
di cui è formato il sistema solare è certamente il residio di una o più esplosioni di
supernove i cui elementi si sono addensati formando il Sole ed i pianeti.
Esplosione di
Supernova
1987
SN1987A
20
Rimaneva il grosso problema come un insieme di cariche positive e neutre
potevano stare insieme e quale fisica valesse a quelle dimensioni. Si comprese molto presto che la meccanica quantistica era valida nei nuclei.
Una nuova forza 137 più potente di quella elettromagnetica tiene insieme
i nuclei e per questo è chiamata forte. È una forza di scambio come quella
elettromagnetica, ma con un raggio d’azione di solo 10-13 cm. Per questo
non possono esistere nuclei troppo grandi. Solo le Pulsar , i residui delle
Supernove, che sono Stelle a Neutroni di 2 o 3 masse solari son stabili
per la gravitazione.
Le forze forti sono state proposte
da molti tra i quali citiamo
W.Heiswnberg ed E.Maiorana
p p
n
p


n
n
I mesoni pi-greco
sono stai scoperti
nei raggi cosmici
da Powell e
G.Occhialini nel
1948
responsabili
delle forze
nucleari
1f
m~139MeV
21
Il decadimento radioattivo beta ha dato delle notevoli sorprese:
Si pensava a un decadimento a due corpi tipo N0 = N+e aspettandosi che
l’energia degli eletroni fosse monocromatica invece questa non era per
cui il decadimento era a tre corpi. Hanno cercato per anni una terza
particella prevista da Pauli nel 1933 che fermi chiamò neutrino . Fu
trovata finalmente nel 1954 da Reines e Cowand in un esperimento
in un reattore nucleare dove di neutrini se ne producono molti.
-1933 E.Fermi pubblica su una rivista italiana una teoria simile al
elettromagnetismo ma con una forza repulsiva, più intermedia tra la forza di cuolomb e quella gravitazionale chiamata appunto debole.
Questa teoria delle interazioni deboli è stata unificata a quella elettromagnetica nel 1972 da Weinberg, Glashow e Salam per cui ora l’interazione si chiama ELETTRODEBOLE. La forza debole ha degli intemediari W+- e Z0 con masse tra 80 e 90 masse del protone scoperte 22
da
C.Rubbia al CERN nel 1983.