Liceo “Malpighi”, a.s. 2016/17

Fisica quantistica
Liceo “Malpighi”, a.s. 2016/17
DALLA FISICA CLASSICA
ALLA FISICA MODERNA
(lungo periodo di transizione a cavallo fra ‘800 e ‘900)
MECCANICA E ASTRONOMIA NEL XIX SEC.
•
Previsione di Nettuno (LeVerrier, 1846) come spiegazione delle
perturbazioni del moto di Urano e sua successiva scoperta (Galle,
1846)
•
Miglioramento della precisione nei calcoli approssimati e
completo accordo della teoria con i dati osservati sul moto della
Luna e sulla precessione degli equinozi (Newcomb, 1898)
•
Scoperta degli asteroidi (Piazzi, 1801)
•
Misura delle distanze stellari (Bessel, 1838) con il metodo della
parallasse: 61 Cygni si trova a 10.3 anni luce
ASTROFISICA NEL XIX SEC.
•
Primo studio spettroscopico delle stelle (Secchi, 1863), con
l’introduzione della classificazione in base al colore e alle righe di
assorbimento (spettroscopio inventato da Fraunhofer nel 1814)
TERMODINAMICA NEL XIX SEC.
•
Studio delle macchine termiche (Carnot, 1824)
•
Nascita del concetto di energia e primo principio della
termodinamica (Joule, Helmholtz, 1857)
•
Secondo principio della termodinamica (Kelvin, Clausius, 1850)
•
Modello cinetico dei gas (Clausius, 1857)
•
Legge di distribuzione delle velocità in un gas (Maxwell, 1859 e
Boltzmann, 1871): nasce la meccanica statistica
•
Teorema di equipartizione dell’energia (Maxwell, 1859 e
Boltzmann, 1876) e calcolo dei calori specifici nei gas, che però a
volte non funziona
OTTICA NEL XIX SEC.
•
Scoperta della radiazione infrarossa
(Herschel, 1800) e ultravioletta
(Ritter, 1801) con prismi e
termometro a mercurio o cloruro
d’argento
•
Misure di precisione della velocità
della luce (Fizeau, 1849; Michelson,
1879)
•
La luce è un’onda elettromagnetica
(Maxwell, 1873)
ELETTROMAGNETISMO NEL XIX SEC.
•
Invenzione della pila (Volta, 1800)
•
Una corrente elettrica genera un campo magnetico (Ørsted, 1829)
•
Legge dell’induzione elettromagnetica (Faraday, 1831) e
applicazioni:
•
•
dinamo (Pacinotti, 1859) → il motore elettrico sostituisce il
motore a vapore
•
trasformatore (Faraday, 1831 e Tesla, 1885) → distribuzione
dell’energia elettrica
Previsione delle onde elettromagnetiche (Maxwell, 1873) e loro
scoperta (Hertz, 1888)
STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC.
•
Teoria atomica (Dalton, 1805) e distinzione fra atomi e molecole:
legge di Avogadro (1811)
•
Studio dell’elettrolisi (Faraday, 1834) e sua spiegazione in termini
di dissociazione elettrolitica (Arrhenius, 1880)
•
Scoperta dei raggi catodici (Crookes, 1870), “generati” da alte
differenze di potenziale in tubi a vuoto
STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC.
•
I raggi catodici sono
particelle negative, 2000
volte più leggere
dell’atomo di idrogeno
(Thomson, 1896); si
ipotizza che uno ione sia
un atomo che ha perso o
acquistato un elettrone
•
Scoperta dei raggi X
(Röntgen, 1895); viene poi
scoperto che i raggi X
sono radiazione di
frenamento degli elettroni
L’ESPERIMENTO DI THOMSON (1896)
Misura di q/m per l’elettrone - premio Nobel 1906
L’ESPERIMENTO DI MILLIKAN (1909)
Misura di q per l’elettrone - premio Nobel 1923
1) calcolo del raggio (e quindi della massa) della goccia
con campo elettrico spento, da misure di velocità: Fattr + FArch = P → 6πrηv + 4πr3/3 gdaria = 4πr3/3 gdolio
2) calcolo della carica della goccia con campo elettrico
acceso: se la goccia è sospesa, FE + FArch = P
STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC.
•
I metalli emettono
elettroni quando sono
colpiti da luce (Hertz,
1887 e Lenard, 1900)
•
PROBLEMA: le leggi
sperimentali dell’effetto
fotoelettrico non erano
spiegabili sulla base
della fisica conosciuta!
STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC.
•
•
Scoperta della radioattività naturale (Becquerel, 1896):
•
raggi alfa, poco penetranti, di carica positiva
•
raggi beta, mediamente penetranti, di carica negativa
•
raggi gamma, molto penetranti, privi di carica
L’atomo non è
indivisibile → modello
atomico di Thomson
(1904)
ALCUNI PROBLEMI APERTI
Effetto fotoelettrico
•
•
Einstein introduce l'idea dei quanti di radiazione, i fotoni (1905)
Esistenza dell’etere
•
•
Einstein nega l’etere e nasce la relatività (1905)
Dipendenza dalla temperatura dei calori specifici di gas e solidi
•
•
Einstein e Debye (1912) risolvono il problema partendo dalla quantizzazione
dell’energia proposta da Planck (1900)
Esistenza e struttura degli atomi e dei loro spettri
•
•
Perrin conferma (1909) la teoria di Einstein del moto browniano (1905)
•
Rutherford dimostra la struttura planetaria dell’atomo (1909)
Natura della radioattività
•
•
Rutherford identifica i raggi alfa come nuclei di He (1909)
Precessione del perielio di Mercurio
•
•
Einstein introduce una nuova teoria della gravitazione, la relatività generale
(1915)
L’ESPERIMENTO DI RUTHEFORD-GEIGER-MARSDEN
ALTRI PROBLEMI
Il modello atomico di Rutherford, pur spiegando correttamente il
suo esperimento, fa sorgere nuovi problemi a livello teorico:
•
secondo le leggi dell’elettromagnetismo di Maxwell, una carica
accelerata emette onde elettromagnetiche, quindi gli elettroni
attorno al nucleo dovrebbero rapidamente perdere energia e
collassare su di esso
•
perché tutti gli atomi di un dato elemento sono uguali fra loro?
•
lo spettro dell’idrogeno non è spiegabile in termini del modello
•
La soluzione arriverà 10–12 anni dopo, con la “nuova” meccanica,
detta quantistica.
•
Richiederà una rivoluzione nel modo di pensare la meccanica
(moto, posizione, traiettoria) e l'elettromagnetismo (onde, campi,
energia).
•
Nasce così una nuova fisica, che tuttavia non cancella la fisica
classica: questa resta valida entro un certo campo di applicazione
(che corrisponde all’incirca a quello macroscopico).
•
Un’altra rivoluzione era stata prodotta dalla relatività: - unificazione di spazio e tempo nello spaziotempo
- inerzia dell’energia
- riduzione della gravità a curvatura dello spazio tempo,
- universo in espansione