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