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ALBERT EINSTEIN 1879-1955 `. Liter di una vita straordinaria 1879 Nasce a Ulm, in Germania.

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Presentazione sul tema: "ALBERT EINSTEIN 1879-1955 `. Liter di una vita straordinaria 1879 Nasce a Ulm, in Germania."— Transcript della presentazione:

1 ALBERT EINSTEIN `

2 Liter di una vita straordinaria 1879 Nasce a Ulm, in Germania

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4 Liter di una vita straordinaria 1900 Si laurea al Politecnico di Zurigo 1902 Inizia a lavorare allUfficio brevetti di Berna

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6 Hermann Minkowski ( ) La teoria speciale della relatività ristretta ANNUS MIRABILIS

7 Herbert Brown Ilmoto browniano e lesistenza delle molecole Il moto browniano e lesistenza delle molecole Londra (1912)

8 ANNUS MIRABILIS Max Planck I quanti di luce e leffetto fotoelettrico ( )

9 ANNUS MIRABILIS E= mc²

10 Liter di una vita straordinaria 1916 Pubblica I fondamenti della teoria generale della relatività

11 Liter di una vita straordinaria 1921 Riceve il premio Nobel per la fisica per la scoperta della legge delleffetto fotoelettrico

12 Liter di una vita straordinaria 1925 Pubblica la predizione del condensato di Bose-Einstein Satyendra Nath Bose ( )

13 Liter di una vita straordinaria 1931 Incontra Edwin Hubble che lo convince dellesistenza di un Big-Bang Edwin Hubble ( )

14 Liter di una vita straordinaria 1939 Scrive, spinto da Leo Szilard, al presidente americano Roosvelt Einstein e Szilard La lettera di Einstein a Roosvelt

15 Liter di una vita straordinaria 1955 Muore in ospedale a causa della rottura dellaorta.

16 MOTO BROWNIANO

17 NellAnnus Mirabilis (1905), Einstein formulò la teoria del moto browniano

18 MOTO BROWNIANO Il moto browniano prende il nome dal botanico Robert Brown che nel 1828, aveva comunicato losservazione secondo cui i granelli di polline, sospesi in acqua e osservati al microscopio, si muovevano incessantemente cambiando continuamente direzione. Brown (1773 – 1858)

19 MOTO BROWNIANO Immaginiamo che in una grande quantità dacqua sia immerso un granello microscopico di polline.

20 MOTO BROWNIANO Esso sarà circondato da un numero enorme di molecole dacqua e subirà urti da tutte le direzioni possibili.

21 MOTO BROWNIANO Il numero di molecole urtanti corrispondono ad una quantità dacqua in grado di causare un piccolissimo spostamento del granellino, che si muoverà nella stessa direzione di questo piccolo eccesso di molecole.

22 MOTO BROWNIANO Cumulando un piccolissimo spostamento dopo laltro, con il passare del tempo, il granellino si sposterà in modo significativo.

23 MOTO BROWNIANO Einstein affrontò il problema proponendosi di dimostrare la necessità del moto browniano in un fluido con particelle in sospensione.

24 MOTO BROWNIANO Il fluido essendo materia, doveva essere formato da molecole. Einstein considerò anche le particelle in sospensione come se fossero molecole, solo più grandi di quelle del fluido.

25 MOTO BROWNIANO Stando alla teoria secondo la quale, il calore interno è energia di moto, le molecole del liquido avrebbero dovuto urtarsi violentemente le une con le altre.

26 MOTO BROWNIANO Secondo Einstein, lagitazione delle molecole del fluido causa i piccoli, incessanti, spostamenti irregolari delle molecole in sospensione.

27 MOTO BROWNIANO Ogni urto fa sì che una molecola in sospensione non possa rimanere ferma nella stessa posizione. Da qui la necessità del moto browniano.

28 MOTO BROWNIANO Nel suo articolo, Einstein, ricavava unequazione fondamentale che stabiliva che lo spostamento medio S di una molecola in sospensione era proporzionale alla radice quadrata del tempo t: x² = 3παη kTt Dove x è lo spostamento e t il tempo nel quale esso si verifica.

29 MOTO BROWNIANO La formula in sé era senza dubbio notevole, ma il risultato più importante di questi esperimenti fu la conferma dellipotesi principale fatta da Einstein, cioè che il fluido è costituito da molecole, da atomi.

30 MOTO BROWNIANO Si era ottenuta, quindi, la conferma definitiva dellesistenza degli atomi.

31 MOTO BROWNIANO Il significato di tutto ciò è oggi patrimonio comune delle scienze naturali e sociali. Le sue intuizioni sul moto molecolare hanno portato a ingranaggi browniani che suddividono rapidamente il DNA o separano particelle solide dallacqua.

32 Leffetto fotoelettrico

33 Introduzione Si deve a Bohr il primo tentativo di formulare nuove leggi della meccanica valide nel campo dei fenomeni atomici dopo che Planck ed Einstein avevano introdotto il concetto di QuantoQuanto Bohr

34 Quanto Il quanto è un corpuscolo elementare puramente energetico e non ulteriormente divisibile ed affianca altre unità fondamentali della fisica come gli elettroni, gli ioni ed infine i nuclei.

35 Introduzione Planck prima ed Einstein poi posero dunque le basi di questa vera e propria rivoluzione iniziata con lo studio del fenomeno: Effetto fotoelettrico che contribuì ad associare al campo elettromagnetico una struttura a quanti. Planck ed Einstein

36 Introduzione Gli esperimenti su tale fenomeno furono condotti soprattutto dal fisico tedesco Philipp Lenard che pubblicò i risultati più importanti nel 1902.

37 Le difficoltà dellelettromagnetismo classico

38 La fisica classica stabilisce che lirradiamento Ee di unonda elettromagnetica è dato da tale espressione E e = ½ c e o E o

39 Le difficoltà dellelettromagnetismo classico I dati sperimentali sulleffetto fotoelettrico appaiono incomprensibili. In effetti dallelettromagnetismo sappiamo che, per estrarre un elettrone da un metallo, occorre fornirgli un energia pari al lavoro di estrazione W e

40 Le difficoltà dellelettromagnetismo classico Se le cose stessero semplicemente così, leffetto fotoelettrico dovrebbe variare con la luce di qualunque frequenza; dal momento che lenergia totale Etot che incide, in un intervallo di tempo t, su una superficie di area S èfrequenza Etot = Ee t S

41 La frequenza f che corrisponde a ciascuna lunghezza donda si ricava dalla relazione f= c/ λ Frequenza

42 La quantizzazione della luce secondo Einstein

43 Nel 1905 Einstein risolve il problema della spiegazione teorica delleffetto fotoelettrico ribaltando in modo radicale linterpretazione della natura della luce che si era affermata con la fisica classica.luce

44 La luce è una forma di radiazione elettromagnetica che consiste sostanzialmente in rapidissime oscillazioni del campo elettromagnetico. Essa si propaga in linea retta in tutte le direzioni raggiungendo aree sempre più ampie. Quando colpisce un oggetto la luce può essere riflessa, assorbita o diffusa. La luce

45 La quantizzazione della luce secondo Einstein Per limportanza di tale lavoro, egli ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1921.

46 La quantizzazione della luce secondo Einstein Secondo Einstein, è necessario supporre che la luce stessa sia composta da singoli pacchetti di energia, i quanti del campo elettromagnetico, che più tardi furono chiamati fotoni.

47 La spiegazione delleffetto fotoelettrico

48 Leffetto fotoelettrico si riferisce alla capacità della luce di estrarre elettroni dalla superficie di un metallo.

49 In effetti, le proprietà delleffetto fotoelettrico si spiegano facilmente se si ammette che si ha sempre e soltanto linterazione di un singolo fotone con un solo elettrone. La spiegazione delleffetto fotoelettrico

50 Lelettrone può uscire dal metallo soltanto se lenergia E del fotone è almeno uguale al lavoro di estrazione W e. Per la formula E=hf si ha allora la condizione hf > W e da cui f > W e /h

51 La spiegazione delleffetto fotoelettrico Ecco che, allora, esiste una frequenza minima f min =W e /h a cui corrisponde una lunghezza donda massima, al di sotto della quale leffetto fotoelettrico non può avvenire.

52 La spiegazione delleffetto fotoelettrico Bassa intensità Elettroni emessi La luce rossa fa sì che gli elettroni siano emessi da una piastra di metallo.

53 La spiegazione delleffetto fotoelettrico Molta intensità Elettroni emessi Aumentando lintensità vengono emessi più elettroni.

54 La spiegazione delleffetto fotoelettrico Molta intensità Elettroni emessi Passando alla luce blu si ottengono elettroni molto più veloci. Ciò perché la luce può comportarsi non solo come onda continua ma anche come un fascio di quanti o fotoni.

55 Le teorie di Einstein hanno consentito lo sviluppo di molte tecnologie oggi in largo consumo. Leffetto fotoelettrico è alle basi delle celle solari e dei rilevatori elettronici di luce. Leffetto fotoelettrico e la tecnologia

56 La relatività

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59 La relatività galileiana Il principio di relatività galileiana afferma che le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento che si muovono tra loro di moto rettilineo uniforme.

60 La relatività galileiana x O z y z v O x y P In P si verifica un evento ed un osservatore S misurerà la posizione e listante in cui avviene levento assegnando coordinate x,y,z,t. Un osservatore S in movimento con velocità v rispetto a S assegnerà coordinate x,y,z,t. Le equazioni che mettono in relazione le coordinate spazio-temporali di uno stesso evento nei due sistemi di riferimento sono le Trasformazioni di Galileo x = x – vt y=y z=z t=t

61 La relatività galileiana La relatività galileiana è in perfetto accordo con la meccanica newtoniana e con la legge di gravitazione universale. Newton ( )

62 La relatività galileiana

63 Laffermazione risulta valida nel momento in cui si considerano velocità molto piccole rispetto a quelle della luce.

64 La relatività galileiana A velocità prossime alla luce (c: ,458 km/sec) le teorie di Galileo non sono del tutto valide.

65 Maxwell Il valore della velocità della luce nel vuoto fu calcolato da James Clerk Maxwell che definì la luce un fenomeno elettromagnetico. Maxwell, James Klerk ( )

66 Ma come mai la velocità della luce è sempre la stessa (è costante) pur variando i sistemi di riferimento sebbene Galileo affermò che la velocità è relativa?

67 Lerrore sta nel fatto di considerare il tempo assoluto!

68 Michelson e Morley Si inseriscono emblematicamente a tal proposito i fisici Michelson e Morley che volendo dimostrare la propagazione della luce in un mezzo ipotetico scoprirono la non esistenza delletere. Michelson (1852 –1931) Morley (1838 – 1923)

69 Michelson e Morley Lesperimento attraverso linterferometro non registrò praticamente, alcuna variazione nella velocità della luce nelle varie direzioni e in qualunque stagione dellanno.

70 Michelson e Morley L`ESPERIMENTO

71 Lorentz Le trasformazioni di Lorentz costituiscono la base di studio della relatività einsteiniana. Contrazione delle lunghezze Dilatazione dei tempi Lorentz (1853 – 1928)

72 La contrazione delle lunghezze La misura della lunghezza di un oggetto, quando esso è in movimento rispetto al sistema di riferimento in cui avviene la misurazione, è minore del valore misurato quando esso è fermo.

73 v = 0.1 c v = c v = 0.99 c v = c

74 La dilatazione di tempi La durata di un fenomeno misurata da un sistema di riferimento in quiete rispetto al fenomeno è minore della durata misurata da un sistema di riferimento in movimento: nei sistemi in moto, quindi, il tempo si dilata.

75 Appuntamento mancato! Giulia dice a Giovanni: domani a mezzanotte guardiamo entrambi la stella polare e ovunque saremo ci penseremo!….. Giovanni è in viaggio su un nuovo aereo velocissimo. Guarda il suo orologio, vede mezzanotte, guarda la stella polare, ma Giulia laveva già guardata mezzora prima.

76 Osservando le trasformazioni di Lorentz è evidente che esse altro non sono che una generalizzazione di quelle di Galileo Galilei. Il rapporto v²/c² è pari a 0 se la velocità è molto piccola rispetto alla velocità della luce Il rapporto v²/c² tende a 1 se la velocità è prossima a quella della luce

77 In conclusione, la teoria della relatività ristretta si basa su due assiomi: 1.Le leggi e principi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali 2.La velocità della luce è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali indipendentemente dal moto del sistema stesso o dalla sorgente da cui la luce è emessa

78 Einstein si chiedeva se non fosse possibile ampliare il primo degli assiomi della relatività ristretta. Egli non riusciva a convincersi che questa classe di sistemi di riferimento dovesse avere qualcosa di speciale rispetto a tutti gli altri sistemi di riferimento. I due problemi si fusero in uno solo e costituirono lossatura della teoria della relativitá generale che supera e completa quella della relatività ristretta.

79 E=mc²

80 La formula E=mc² è la fondamentale relazione tra energia (E) e massa (m) di un corpo, dove c è la velocità della luce.

81 Lequazione di Einstein implica che energia e massa sono equivalenti : la massa può essere trasformata in energia, ma anche lenergia può essere trasformata in massa, cioè in materia.

82 Per dimostrare questa nuova relazione è importante sapere che la luce non trasporta soltanto energia, ma riceve anche una quantità di moto p=E/c.

83 Consideriamo un corpo di massa m che, fermo nel sistema di riferimento S, assorbe due lampi di luce che giungono da direzioni opposte e che trasportano ciascuno lenergia E/2. Ciò implica che ciascun pacchetto di energia cede al corpo una quantità di moto p=E/2c.

84 Considerando un sistema di riferimento S vedremo che la somma vettoriale della quantità di moto cedute dalla luce al corpo di massa m non è nulla ma pari al doppio della componente orizzontale px di uno dei due vettori.

85 Di conseguenza considerando due triangoli vettoriali, avremo la proporzionalità tra i cateti e la corrispondenza tra le ipotenuse px(V/c) p=(V/c) (E/2c)=VE/2c²

86 Di conseguenza la quantità di moto del corpo aumenta di tale quantitá Δp=2px=VE/c²

87 Vediamo che la quantità di moto è cambiata in p2=mV+VE/c² La quantità di moto del corpo è cambiata, ma non la sua velocità, a differenza della massa. Così si avrà p2=mVE/c²=mV

88 Risolvendo lequazione si avrà m-m=E/c²

89 E proprio ciò che volevamo dimostrare: la massa di un corpo a cui ceduta lenergia E aumenta della quantità E/c² Diremo che tutte le trasformazioni di energia in massa e di massa in energia sono regolate DALLA RELAZIONE DI EINSTEIN

90 Secondo la teoria della relativitá, lenergia cinetica di un punto materiale di massa m non sarà più 2 m v² MA mc² 1 - V²/C²

91 Se un corpo si muove con velocitá v assorbe una quantitá di energia E O in forma di radiazione, senza che questo processo ne alteri la velocitá, esso subisce di conseguenza un incremento della propria energia uguale a EO 1 - V²/C²

92 Tenuto conto dellespressione precedente, lenergia cinetica del corpo risulta essere (m + E O /c²) c² 1 - V²/C² Il corpo ha così la stessa energia di un corpo di massa m + E O /c² che si muove con la velocità V

93 Possiamo dunque dire: se un corpo assorbe una quantitá di energia Eo la sua massa inerziale cresce di una quantità Eo/c²; la massa inerziale di un corpo non é una costante, ma varia a seconda del mutamento di energia del corpo stesso.

94 Il termine mc², che aveva attratto la nostra attenzione, non è altro che lenergia posseduta dal corpo prima che esso assorbisse lenergia E o.

95 Dallequazione di Einstein consegue anche che è necessaria una quantità di energia ingentissima per ottenere una minima quantità di materia.

96 Con gli acceleratori di particelle.

97 Negli acceleratori di particelle si sono raggiunte energie sufficienti a creare nuove particelle di materie. Per poter analizzare tali acceleratori bisogna conoscere il campo nel quale agiscono, ossia la fisica delle particelle.

98 Esistono particelle elementari materiali e delle forze che agiscono su di esse, ma spesso capita che alcune di queste forze agiscono solo su distanze microscopiche e le relative particelle solo soggette alla disintegrazione immediata in tempi estremamente impercettibili.

99 Per riuscire a studiare le particelle bisogna unificare tutte le forze.

100 Tale compito spetta alle nozioni della meccanica quantistica che propongono di esplorare particelle di dimensioni sempre inferiori e conseguentemente con energia maggiore.

101 Gli acceleratori che permettono tale operazione sono detti fabbriche di particelle.

102 Tali processi, complessi e raffinati, sono il frutto di lunghi decenni di ricerche ed esperimenti che hanno condotto la fisica delle particelle al continuo perfezionamento; ma dietro tale sviluppo cè una grande evoluzione di tali acceleratori.

103 Nel 1953 fu realizzato il primo acceleratore di elettroni. Nel 1959, al momento della sua messa in funzione, le sue prestazioni in energia ed in intensità del fascio costituirono un primato mondiale.

104 La vera rivoluzione in questo campo avvenne però non 1960 quando fu progettato e realizzato li prototipo di una macchina di concezione assolutamente nuova.

105 La caratteristica innovativa di un anello di collisione è che la somma delle energie dei due fasci è totalmente utilizzata per la materializzazione di nuove particelle.

106 Con gli acceleratori di particelle, quindi, abbiamo visto che da una quantità elevata di energia riusciamo a produrre una quantità piccolissima di materia.

107 Ma dallequazione di Einstein possiamo dedurre anche il contrario, e cioè che da una piccola quantità di materia si può produrre una grande quantità di energia.

108 Questo è il caso delle bombe atomiche. Essa è un ordigno esplosivo basato sulla reazione di fissione nucleare, cioè la scissione, spontanea o indotta, di un nucleo atomico in due o più frammenti più leggeri.

109 La somma delle masse dei frammenti è inferiore alla massa del nucleo di partenza, la parte di massa mancante risulta trasformata in energia secondo lequazione E=mc².

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111 Il principio di equivalenza La base della teoria generale è il principio di equivalenza.

112 Il principio di equivalenza Il principio di equivalenza pone in stretta relazione accelerazione e campo gravitazionale.

113 Il principio di equivalenza Esso è uno degli assiomi che permisero ad Einstein di estendere il principio di relatività ristretta, secondo cui le leggi della fisica assumono le stesse forme in tutti i sistemi di riferimento.

114 La relatività generale LA FORZA CON CUI VENGONO ATTRATTI GLI OGGETTI SULLA TERRA (mg) LA RESISTENZA CHE UN CORPO OFFRE AD ESSERE ACCELERATO (mi) Mg = Mi

115 Il principio di equivalenza Il principio di equivalenza stabilisce che in una zona delimitata dello spazio tempo, é sempre possibile scegliere un opportuno sistema di riferimento in modo da simulare lesistenza di un campo gravitazionale uniforme o, reciprocamente, in modo da eliminare leffetto di una gravitá costante.

116 Il principio di equivalenza Per esempio, in un ascensore in caduta libera si avverte la sensazione di assenza di peso, come se ci si trovasse lontano da qualche corpo celeste. Al contrario, allinterno di un astronave in accelerazione si avvertirebbe la presenza della gravità, anche se lastronave stesse navigando nello spazio profondo.

117 La relativita generale spiega gli effetti gravitazionali grazie ad una duplice idea: 1)La presenza di masse incurva lo spazio – tempo 2)I corpi soggetti alla forza di gravità devono essere considerati come particelle libere, che si muovono seguendo le geodetiche dello spazio – tempo. La Relativitá generale

118 Il primo postulato considera lo spazio non più piatto ma curvo, pertanto la geometria euclidea valida per uno spazio piatto deve essere modificata. La Relativitá generale

119 Nasce così la geometria non euclidea:

120 Gli spazi ellittici e iperbolici sono spazi curvi rispettivamente con curvatura positiva e negativa.

121 La geometria euclidea Nello spazio euclideo si considera valido il quinto postulato di Euclide (esiste ed é unica la parallela condotta da un punto esterno ad una retta e la somma degli angoli interni di un triangolo è 180°).

122 La geometria non-euclidea La geometria non-euclidea, negando il quinto postulato di Euclide, afferma : N1. Data una retta ed un punto non appartenente ad essa, esistono infinite rette passanti per il punto e parallele alla retta data. N2. Data una retta ed un punto non appartenente ad essa, non esiste alcuna retta passante per il punto e parallela alla retta data. N1. In un triangolo la somma degli angoli interni è minore di 180° N2. In un triangolo la somma degli angoli interni è maggiore di 180°

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124 Lo spazio – tempo curvo e la luce Ad Einstein servì leclissi di sole del 1919 a confermare che la luce delle stelle poste vicine al sole era curvata.

125 Lo spazio – tempo curvo e la luce Di notte un osservatore A determina la posizione della stella S rispetto alle stelle vicine. Durante uneclissi B losservatore vede la stella in una nuova posizione S' che si trova sul prolungamento del raggio che arriva ai suoi occhi. La direzione del raggio luminoso é modificata dallazione gravitazionale del sole.

126 La geometria dello spazio - tempo La geometria dello spazio-tempo essendo determinata dalla distribuzione delle masse presenti in esso, varia al variare di tale distribuzione. La modifica della geometria si propaga a velocità C partendo dalla zona in cui essa è stata generata. Tale propagazione spazio-temporale è unonda gravitazionale.

127 ALBERT EINSTEIN Il lavoro è stato eseguito dalla classe V sez. I del liceo scientifico E. Fermi di Aversa SUPERVISIONE Prof.ssa Ester Di Lella


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