I.I.S. “A. Zoli”- Alessandra Carota
Nascita della meccanica quantistica
Dualismo onda- corpuscolo
Radiazione di corpo nero
Effetto fotoelettrico
Modello atomico di Bohr
Ipotesi di De Broglie
Schrödinger
Il Principio di indeterminazione di Heisenberg
La “rivoluzione dei quanti”
1897 scoperta dell’elettrone da parte di Thompson
Fisica classica che non riesce a spiegare la struttura
atomica e le proprietà della materia.
Dualismo onda-corpuscolo
La luce nella teoria classica era considerata un’onda: le
intensità dei campi elettrico e magnetico che oscillano
nello spazio.
1900 Max Planck effettua l’analisi teorica dei risultati
sperimentali della radiazione emessa da un corpo nero.
L’elettrodinamica classica è in accordo con l’evidenza
sperimentale solo per radiazione a bassa frequenza.
Ad alte frequenze per la teoria classica il corpo nero
emetterebbe un’intensità infinita di radiazione
elettromagnetica (catastrofe ultravioletta).
Planck sostiene che gli atomi delle pareti della cavità si
comportano come piccoli oscillatori elettromagnetici
ognuno con frequenza caratteristica ν.
Gli atomi emettono ed assorbono radiazione, tra questi
atomi e la radiazione della cavità si stabilisce un
equilibrio termico.
Gli oscillatori atomici non si comportano come
oscillatori classici, la cui energia assume valori discreti:
E=n·h·ν
Oggi sappiamo che l’energia dell’oscillatore armonico è:
E=(n+1/2)·h·ν
Planck attribuisce una “struttura corpuscolare” agli
scambi di energia.
1905 Einstein interpreta l’effetto fotoelettrico.
Einstein, andando oltre Planck, aveva attribuito alla
radiazione una struttura corpuscolare ed aveva ammesso
che la radiazione di natura essenzialmente discontinua,
fosse formata di un insieme di corpuscoli (fotoni) ciascuno
dei quali trasportava un quanto di energia.
1913 Bohr supera il modello atomico “planetario” di
Rutherford introducendo un concetto completamente
nuovo, il concetto di stato quantico.
Bohr dimostra che a ciascuna orbita
elettronica del modello dell’atomo
planetario è associata un’energia che
Assume valori discreti.
Esistono stati quantici ben precisi
nei quali gli elettroni possono disporsi
intorno al nucleo.
La configurazione stabile in natura è data
da stati di energia minima o stato fondamentale dell’atomo.
1924 De Broglie formula l’ipotesi della doppia natura dell’elettrone
(particella- onda).
La luce è un’onda, ma trasferisce energia e quantità di moto alla
materia sotto forma di “granuli”: i fotoni.
L’ipotesi di De Broglie venne confermata nel 1927 dall’esperimento
di Davisson-Germer.
L’esperimento consiste nel far passare gli
elettroni attraverso due fenditure e
per rivelatore viene utilizzato lo schermo
di un tubo catodico. Quando l’elettrone
colpisce la superficie sensibile un piccolo
lampo di luce registra la posizione dell’impatto.
Questo significa che ciascun elettrone è passato
attraverso l’apparecchiatura come onda di materia.
Il risultato dell’interferenza ha determinato la probabilità che in u n
certo punto dello schermo si materializzi l’elettrone.
Nel 1926 Schrödinger calcolò le forme e le frequenze
delle configurazioni caratteristiche che si sviluppano
quando le onde elettroniche sono confinate
dall’attrazione elettronica del nucleo.
Egli trovò una serie di vibrazioni distinte, ciascuna con la
sua propria forma e frequenza definita. Questo
dimostra che vi sono modi di vibrazione ben definiti
nell’atomo, ma rivela anche una connessione tra la
natura ondulatoria dell’elettrone e l’esistenza di stati di
energia discreti nell’atomo.
Come è possibile che un elettrone sia contemporaneamente un
corpuscolo e un’onda?
Esso non è un vero corpuscolo perché presenta proprietà
ondulatorie, e non è una vera onda, perché se l’elettrone
assume una delle configurazioni ondulatorie esso vibra con
un’intensità ben precisa.
Perché non riusciamo a scoprire,
Con un’osservazione accurata, se un
elettrone è un’onda o un corpuscolo?
La proprietà della fisica classica di
divisibilità dei processi fisici non può
essere utilizzato in questo caso a
causa della granulosità della luce.
Per vedere i particolari del moto dell’elettrone nell’atomo,
dobbiamo usare onde luminose con lunghezza d’onda
molto piccola, delle dimensioni dell’atomo. Questa luce ha
alta frequenza e quando colpisce un elettrone potrebbe
espellerlo dall’atomo distruggendo l’oggetto della nostra
osservazione.
Tutte le misurazioni che potrebbero essere utili per decidere
tra la natura ondulatoria e la natura corpuscolare
dell’elettrone hanno lo stesso risultato: l’oggetto cambia
completamente il suo stato.
L’argomentazione che un’entità non può essere sia un’onda
che un corpuscolo non vale più all’interno delle dimensioni
dell’atomo.
I concetti di posizione e diffusione non sono più applicabili;
qualsiasi sforzo di osservarli distruggerebbe l’oggetto.
Gli elettroni non hanno una posizione prevedibile nell’atomo,
la “posizione” è un concetto classico non applicabile
direttamente nel regno atomico.
Le restrizioni all’applicazione di concetti classici (posizione,
velocità e quantità di moto) sono codificate dal principio di
indeterminazione di Heisenberg:
Δx·Δp≥h.
Quando vogliamo conoscere la posizione o la velocità di un
elettrone in uno stato quantico, non ci possiamo aspettare
sempre una risposta definitiva.
La conseguenza importante è che alcune affermazioni a
proposito dell’atomo devono rimanere probabilistiche
perché i nostri concetti (ad esempio posizione) non
sono appropriati per lo stato quantico atomico.
Bibliografia
Victor Weisskopf- La rivoluzione dei quanti- Jacka Book.
Victor Weisskopf- Il privilegio di essere un fisico- Jacka
book.
Walter Isacson- Einstein- Oscar Mondadori.
Herman Haken e Hans C. Wolf- Fisica atomica e
quantistica.- Bollati Boringhieri.
D. Halliday, R. Resnik e J. Walker- Fondamenti di fisicaFisica moderna- Scienze Zanichelli.
