Introduzione all’optoelettronica.
Studio dei processi che stanno alla base del funzionamento di laser, led
e celle fotovoltaiche.
Capitolo 1
La crisi della fisica classica
Nella seconda metà del diciannovesimo secolo, si riteneva che la fisica fosse ormai un
argomento chiuso. La comunità scientifica riteneva che la meccanica classica (intesa come
leggi di Newton e sviluppi successivi), l’elettromagnetismo (riassunto nelle leggi di Maxwell)
e la termodinamica potessero spiegare tutti i fenomeni naturali.
Tuttavia, verso il finire dell’Ottocento e sugli inizi del Novecento, furono fatte delle
scoperte che non potevano essere inquadrate all’interno degli schemi precedenti. Queste
scoperte riguardavano il mondo dell’infinitamente piccolo, e misero in crisi la comunità
scientifica. Si pensi che, per esempio, la stessa esistenza e stabilità degli atomi non era
spiegabile all’interno della fisica classica!
In particolare furono alcune osservazioni sperimentali che, in quegli anni, minarono la
conoscenza del mondo fisico che fino ad allora aveva retto. In particolare, parliamo:
• dello spettro del corpo nero;
• dell’effetto fotoelettrico;
• della struttura atomica;
• degli spettri atomici;
• del calore specifico dei solidi.
Questi problemi furono affrontati nel primi anni del Novecento, e trovarono delle spiegazioni che si andavano a porre in contrasto con quello che era il mondo fisico fino ad
allora.
Lo studio dello spettro del corpo nero fu uno dei punti di partenza per la revisione della
fisica che si era studiata fino ad allora, e fu ben spiegato da un modello a opera di Planck.
L’effetto fotoelettrico trovò spiegazione grazie a un lavoro di Einstein del 1905, che gli valse
il premio Nobel. La struttura atomica fu spiegata a partire dal modello di Rutherford,
che fu poi sviluppato da Bohr. Ma tutte queste teorie e questi modelli poggiavano su
fondamenta fragili, e sembravano in netto contrasto con la teoria fisica classica che fino ad
allora era stata studiata ed aveva consentito la spiegazione di un’innumerevole quantità di
fenomeni.
Questo problema trovò soluzione con lo sviluppo di quella teoria che prese il nome
di meccanica quantistica. Per sviluppare questa teoria nel corso degli anni Venti del
Novecento fu necessario, fra il resto, inventare una nuova matematica che permettesse
una formalizzazione della realtà fisica. Dunque, per via del fatto che sono necessarie
competenze matematiche piuttosto avanzate, la meccanica quantistica risulta spesso di
difficile comprensione.
La meccanica quantistica permise di inquadrare tutte le conoscenze che fino ad allora
sembravano inconciliabili. Anche la fisica classica trovò spazio all’interno del mondo della
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fisica quantistica come un suo caso limite. Perciò si convenne che non c’era nulla da buttar
via di quello che si era studiato fino ad allora, soltanto bisognava essere consapevoli dei
suoi imiti di validità.
Al contempo, verso l’inizio del Novecento un altra rivoluzione sconvolse il mondo fisico.
Si trattava della teoria della relatività di Einstein, introdotta fra il 1905 e il 1916.
Questa teoria andò a rivedere i fino ad allora indiscussi principi della relatività galileiana,
che furono relegati alla condizione di caso limite di una teoria più generale.
Dunque, gli anni che vanno a cavallo fra la fine dell’Ottocento e i primi anni del Novecento misero in crisi tutte le conoscenze che avevano spopolato fino ad allora, consentendo
l’apertura di un nuovo mondo che avrebbe portato alla scoperta di un’enorme mole di
nuove conoscenze.
Ai nostri scopi, tratteremo più nel dettaglio l’effetto fotoelettrico, fenomeno che per
primo mise in crisi la natura ondulatoria della luce.
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