La nascita della fisica moderna

La nascita della fisica moderna
(un racconto di inizio ‘900)
Rutherford: la struttura dell’atomo
Bohr: orbite planetarie dell’atomo
Einstein: relatività generale
De Broglie: natura
ondulatoria dell’elettrone
1911
1913
1916
1924
Schrödinger-Heisenberg
Jordan-Born-Dirac: la
meccanica quantistica
Einstein:effetto fotoelettrico e
relatività ristretta
1905
1925 - 1927
Planck: il fotone
meccanica
termodinamica
elettromagnetismo
1900
Fisica teorica fine ‘800
Fisica sperimentale fine ‘800
Raggi X
radioattività
Carica e massa dell’elettrone
Sviluppo storico della fisica tra fine ‘800 e il 1927
Thomas S. Kuhn
Descrive lo sviluppo della scienza come una successione
delle seguenti fasi:
¾Scienza normale all’interno di un paradigma
¾Anomalie o crisi del paradigma
¾Sostituzione del vecchio paradigma con uno nuovo
¾Scienza normale
¾…..
Altri filosofi della scienza parlano di mutamento della
gestalt
Musica:
come produrre suoni facendo vibrare
una corda fissata agli estremi?
Si possono avere onde solo se la
lunghezza della corda è metà
lunghezza d’onda, o come la
lunghezza d’onda, o 3/2, o il
doppio, o 5/2, o il triplo … cioè se
è multiplo di mezza lunghezza
d’onda. Si dice che la lunghezza
d’onda è quantizzata, o che essa
assume valori discreti.
discreti
2 ln
λ =
n
Esperienza di Young
Fisica teorica fine ‘800
¾Meccanica (Galileo, Newton, Lagrange, Hamilton)
¾Termodinamica (Carnot, Clausius, Kelvin)
¾Elettromagnetismo (Faraday, Ampere, Maxwell)
Fisica sperimentale fine ‘800
¾ Raggi X
(Rontgen)
¾ Radioattività (Becquerel e Curie)
¾ Carica e massa dell’elettrone (Zeeman,
J.J. Thomson, Millikan)
Spettro delle onde elettromagnetica
Le cariche, quando sono accelerate, emettono onde e.m.
che, in funzione della loro frequenza, assumono
caratteristiche, e nomi, diversi.
Spettri discreti
La luce emessa da una sorgente qualsiasi può essere
analizzata; il modo più semplice è attraverso un prisma
ottico
Si osservò che la luce emessa da alcuni elementi
costituiva spettri discreti, cioè erano presenti solo alcuni
“colori” dello spettro di emissione
Un problema assillava i fisici alla fine dell’800:
spiegare lo spettro di emissione del corpo
nero.
In pratica questo problema è legato alla
spiegazione dell’esperienza per la quale un
oggetto riscaldato cambia colore al variare
della temperatura: inizialmente ha colore
normale, poi emette calore, poi diventa rosso,
quindi giallo fino a diventare bianco. Questo
fenomeno non era spiegabile con le leggi
della fisica classica.
14 Dicembre 1900
Max Planck riesce a spiegare il fenomeno con il
postulato che:
L’energia E delle onde
elettromagnetiche può
esistere solo in pacchetti
discreti o quanti
proporzionalmente alla
frequenza
E=hν
dove
ν = frequenza
h = costante di Planck = 6,77⋅10-34 J⋅s
1905
Einstein, basandosi sull’ipotesi dei quanti di
Planck, riesce a dare una spiegazione teorica
dell’effetto fotoelettrico:
cioè l’emissione di
elettroni dalle superfici
metalliche irradiate con
raggi violetti o ultravioletti
Nel 1911 Rutherford propone un modello simile a
quello che descrive il moto dei pianeti attorno al
sole (modello planetario)
La parte centrale,
detta nucleo, è di
carica positiva ed è
molto piccola, mentre
intorno orbitano le
cariche negative, gli
elettroni.
1913
Nel modello planetario proposto da Rutherford
l’elettrone doveva in pochi istanti cadere sul
nucleo e irraggiare energia.
Bohr per superare tale difficoltà, e spiegare gli
spettri discreti, postula che:
Esistono orbite privilegiate
e solo esse possono
essere percorse
dall’elettrone.
Finché l’elettrone rimane
su tali orbite non emette
energia elettromagnetica.
A
queste
orbite
corrispondono
valori
ben definiti di energia,
che
perciò
risulta
quantizzata. Un atomo
emette radiazione solo
passando da uno stato
all’altro, e il fotone
emesso ha un’energia
pari alla differenza di
energia tra le orbite.
L’inizio del ‘900 è un periodo ricco di novità e
di ripensamento dei fondamenti
Nella pittura
Matisse
Lusso, calma e voluttà,
1904
Mondrian Grande composizione, 1920
Nella musica:
Debussy
La mer, 1905
Schoemberg
Pierrot Lunaire, 1912
1925 de Broglie immagina
che l’elettrone sia
accompagnato da un’onda
lungo tutta l’orbita.
In ogni orbita, in analogia con
la corda
vibrante,
doveva
esserci un multiplo intero di
lunghezze d’onda.
2 π rn
λ =
n
In tal modo si può associare all’elettrone, e,
nella formulazione completa della teoria, ad
ogni oggetto materiale, un’onda, in maniera
simile ma opposta all’associazione di una
particella (il fotone) all’onda elettromagnetica.
h
λ=
m ⋅v
1925 – 1926 Heisenberg, Born, Jordan, Dirac:
Formulazione della
meccanica delle matrici
che permette di calcolare
grandezze fisiche (energia,
velocità, …) per l’elettrone,
inizialmente per semplici
casi, ma in linea di
principio
per
qualsiasi
sistema.
1926
Schrödinger
Formulazione della
meccanica ondulatoria
che permette una
maggiore visualizzazione
della traiettoria
dell’elettrone, però in
termini probabilistici.
Fine anni ‘20
Dimostrazione di
Schrödinger, e poi
ampliamento e affinamento
di Dirac e Jordan
dell’equivalenza dei due
approcci: si può parlare di
meccanica quantistica
Conseguenze della meccanica quantistica:
1) principio di indeterminazione di Heisenberg
Esistono coppie di grandezze (per esempio velocità v e
posizione x, o energia E e tempo t, …) che non possono
essere misurate simultaneamente con una precisione
qualsiasi. Le loro incertezze sono legate dalla seguente
formula:
h
∆x ⋅ ∆v ≥
m
In altre parole:
possiamo determinare con precisione sempre maggiore la
posizione ma avremo un’incertezza sempre più alta nella
determinazione della velocità, e viceversa.
2) Concezione intrinsecamente probabilistica
della meccanica quantistica
Le
probabilità
quantistiche
sono
non
epistemiche, cioè non sono attribuibili ad
ignoranza o a mancanza di informazione del
sistema, che se disponibili renderebbero certe
le asserzioni probabilistiche
Einstein, come altri, non accetterà mai tale
risultato, come espresse nella sua celebre
frase: ”Dio non gioca a dadi”
3) Dualismo onda-corpuscolo
Ogni particella presenta una natura sia
corpuscolare che ondulatoria. Tale
dualismo è evidente per le particelle di
massa piccola, ed è stato verificato
sperimentalmente, fin dagli inizi della
meccanica quantistica, con esperimenti
simili a quello di Young, dove si sono
usati i reticoli cristallini come fenditure.
Esperimenti di Davisson e Germer (1927)
Esperimenti di G. P. Thomson
(1930)
Perché la meccanica quantistica è l’inizio
della fisica moderna?
¾La relatività stravolge e rinnova i concetti di
spazio e tempo, ma è deterministica; in questo
senso si può ritenere il risultato massimo di
fisica classica.
¾La meccanica quantistica è essenzialmente
probabilistica, cioè non deterministica.
La meccanica quantistica è il primo
esempio di teoria che nasce da un lavoro
di gruppo.
¾Anche altre teorie del passato erano il frutto di
più soggetti; questi però avevano solitamente
operato in maniera indipendente.
¾La meccanica quantistica, e nella prassi attuale
tutta la fisica contemporanea, è il risultato di un
lavoro di equipe.
Perché i fenomeni quantistici sono così poco
evidenti?
¾Perché la costante di Planck è così piccola che le
lunghezze d’onda degli oggetti materiali sono
apprezzabili solo per masse molto piccole, a livello
atomico.
Se la costante di Planck avesse valori molto più
grandi, avremmo figure di interferenza anche per
oggetti di grande massa, e gli effetti quantistici
sarebbero evidenti.
Discorso simile si avrebbe per la relatività se la
velocità della luce avesse un valore molto più basso.
1927 Consiglio Solvay