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Le basi della teoria quantistica 1. La crisi della fisica classica.

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Presentazione sul tema: "Le basi della teoria quantistica 1. La crisi della fisica classica."— Transcript della presentazione:

1 Le basi della teoria quantistica 1. La crisi della fisica classica

2 1.1 La svolta del ventesimo secolo Alla fine del XIX secolo le proprietà dellUniverso sembravano delineate: Fisica classica Meccanica di Newton (fenomeni gravitazionali) Termodinamica (fenomeni termici e macchine termiche) Teoria elettromagnetica di Maxwell (fenomeni elettrici, magnetici, ottici (luce)) Continui miglioramenti tecnologici Nei successivi venti anni la fisica subì una vera e propria rivoluzione

3 1.2 Il corpo nero Corpo nero: oggetto capace di assorbire completamente (ed emettere) onde elettromagnetiche di qualunque lunghezza donda Sistema ideale per lo studio dellinterazione materia-radiazione Modello di corpo nero: contenitore cavo a temperatura uniforme con un piccolo foro Risultati sperimentali: Lintensità di irraggiamento (area) aumenta allaumentare della temperatura e la lunghezza donda a cui corrisponde il massimo irraggiamento è inversamente proporzionale alla temperatura (legge dello spostamento di Wien)

4 1.2 Lipotesi di Planck Spiegazione classica: gli atomi del corpo nero si comportano come piccole antenne capaci di assorbire e riemettere la radiazione elettromagn. A ogni temperatura, lirraggiamento dovrebbe aumentare al diminuire della temperatura (energia emessa infinita). Disaccordo con i dati sperimentali Ipotesi di Planck (in accordo con i dati sperimentali): Lo scambio di energia tra atomi della cavità e radiazione non avviene in modo continuo, ma attraverso lo scambio di pacchetti di energia, chiamati quanti. Lenergia E di ciascun quanto è direttamene proporzionale alla frequenza f dellonda elettromagnetica emessa o assorbita: h = 6,6 x J scostante di Planck In generale: linterazione materia-radiazione non avviene in modo continuo, ma attraverso lo scambio di quantità discrete di energia, multiple di hf

5 1.3 Leffetto fotoelettrico Effetto fotoelettrico: estrazione di elettroni dalla superficie di un metallo colpito da luce di lunghezza donda opportuna Risultati sperimentali: Lenergia cinetica massima degli elettroni emessi dipende solo dalla frequenza della radiazione incidente, non dal suo irradiamento. Esiste una frequenza minima al di sotto della quale leffetto fotoelettrico non avviene, qualunque sia lirradiamento

6 1.4 Quantizzazione della luce Spiegazione classica: Leffetto fotoelettrico dovrebbe avvenire con luce di qualunque frequenza e lenergia cinetica massima degli elettroni dovrebbe crescere in modo lineare con lirradiamento. Spiegazione quantistica di Einstein: la luce è composta da singoli pacchetti di energia, i quanti del campo elettromagnetico, chiamati fotoni. Ogni fotone ha massa nulla e porta unenergia E = hf Lenergia è quantizzata, così come la quantità di moto p = E/c = hf/c Non in contraddizione con la teoria di Maxwell (comportamento ondulatorio) Spiegazione delleffetto fotoelettrico: interazione fotone-elettrone, lelettrone può uscire dal metallo solo se lenergia E del fotone è almeno uguale al lavoro di estrazione W e f min = W e / h K max = hf - W e

7 1.5 Lo spettro dellatomo di idrogeno Se si scompone con un prisma la luce emessa da un gas monoatomico portato ad alta temperatura o attraversato da corrente elettrica si vede un insieme di righe, ciascuna di frequenza (colore) ben determinata (spettro di righe) Spettro dellidrogeno: serie spettrali di Balmer (visibile), Lyman, ecc. Secondo la teoria di Maxwell una carica accelerata (elettrone) emette sempre energia sotto forma di onde elettromagnetiche: gli elettroni dovrebbero cadere sul nucleo (in s) lo spettro di emissione dovrebbe essere continuo (intervallo di frequenze)

8 2.1 Il modello atomico di Bohr Modello di Bohr: 1.Il raggio delle orbite degli elettroni può avere soltanto un certo insieme di valori permessi (quantizzazione delle orbite) 2.Quando lelettrone percorre unorbita permessa, in contrasto con le leggi dellelettromagnetismo, non irradia energia. Solo a seguito di una transizione da unorbita a unaltra si ha emissione o assorbimento di energia sotto forma di fotoni (quantizzazione dellenergia) Il modello atomico di Bohr è in grado di spiegare lo spettro dellatomo di idrogeno.


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