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1 STORIA DELLA FISICA ATOMICA -400ac Democrito riteneva inconcepibile che i corpi materiali potessero essere divisi indefinitamente. Propose che tutte.

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1 1 STORIA DELLA FISICA ATOMICA -400ac Democrito riteneva inconcepibile che i corpi materiali potessero essere divisi indefinitamente. Propose che tutte le sostanze fossero fatte di parti invisibili, chiamate atomi che legate insieme formavano i corpi. Riteneva che gli elementi fondamentali fossero 4: Terra, Acqua, Aria e Fuoco. Anassimandro pensava invece che le sostanze fossero costitute da vortici di fluidi particolari. La teoria dei 4-elementi più lEtere o Quintessenza, senza latomismo fu la più accreditata fino a 200 anni fa. Aristotele la incluse nella sua filosofia, e in forme molto simili fa parte del induismo e di altre filosofie. ~1780 A.L.Lavoisier dopo una lunga serie di eperimenti quantitavi con bilancie e misure di volumi formula la legge della conservazione della massa J.B.Richter tesi dott. a Koninsberg De usu mateseos in chemia e nel 1792 publica Anfangsgrunde der Stochyometrie. In questi scritti dichiara, contrariamente a quanto riteneva Kant, che la chimica era par- ticolarmente adatta alla matematizzazione ed indicò nella stechiometria un nuovo campo di indagine della chimica. Formula la legge delle pro- porzioni equivalenti: Le quantità di basi che saturano un acido stanno sempre nella stessa proporzione luna rispetto allaltra anche quando saturano acidi diversi. Il lavoro di Richter fu fortemente contrastasto da filosofi kantiani come J.F.Fries, chimici come C.L.Berthollet e fisici come E.G.Fisher, anche se nel 1802 riunì i dati numerici di Richter, in una tavola dei pesi equivalenti. Questi pensavano la reattività chimica come una delle forze della natura, analoga alla gravitazione, ed ovvia- non produceva solo combinazioni fisse ma aggregati, teorie in qualche modo parenti delle idee di Cartesio J.Dalton pubblicaNew system of chemical philosophy, dove espone la legge delle proporzioni multiple nelle reazioni chimiche. Egli non fu il

2 2 primo a ritenere che le varie specie di sostanze chimiche sono composte di parti- celle dotate di pesi differenti, questa idea era comune a vari chimici del tempo. Dalton fu il primo a dare delle regole valide di combinazione chimica, proponendo che gli atomi si combinavano solo nelle forme più semplici e a comprendere limportanza dei pesi atomici per la teoria chimica. Le regole di combinazione e i pesi daltoniani consentirono una vera e pro- pria fondazione quantitativa della chimica moderna. Dalton inizia come fisico interessato alla Metereologia. Si interessava della dissoluzione del vapore dacqua nellaria e nel 1802 pubblica nei Memoirs di Manchester i concetti principali sulle pressioni parziali nelle miscele di gas, concetti molto criticati da Bertholet ed altri Importanti contributi alla teoria atomica vennero da W.H.Wollaston e da J.J.Berzelius W.Prout legato alla metafisica riduzionista nella quale si ipotizzava che tutti gli elementi erano prodotti da una sola materia originaria cercò di dimostrare che tutti gli elementi erano formati da idrogeno, basandosi sul fatto che i pesi ato- mici degli elementi erano multipli approssimati del peso atomico dellH. I contemporanei non condividevano le sue vedute citando per esempio che i pesi Cloro e del Cadmio erano rispettivamente e , che non sono multipli dellH. La soluzione è arrivata 100 anni dopo, con gli isotopi e con la equivalenza tra massa ed energia di legame A.Avogadro formula la legge: volumi uguali di gas alla stessa temperatura contengono lo stesso numero di molecole. Fu largamente ac- cettata dai chimici solo dopo il congresso di Chimica di Karlshrue del 1860 dove S. Cannizzaro chiari il problema dei gas biatomici J.W.Dobereiner, (dopo la scoperta di numerosi elementi chimici vi fu al- linizio dell800 la evidente la necessità di classificarli in qualche modo), richia- mò lattenzione che elementi con proprietà chimiche simili, si ritrovava- no in gruppi di tre e che la media aritmetica dei pesi atomici del più leg- gero e del più pesante corrispondeva con buona aprossimazione al peso atomico del terzo elemento del gruppo. Le triati citate compredevano: calcio, stronzio e bario; litio, sodio e potassio; zolfo, selenio e tellurio; cloro, bromo e iodio. Queste ricorrenze suggerono a molti che gli atomi non fossero gli ultimi elementi della materia ma che fossero composti di elementi più semplici.

3 M.Faraday enuncia le leggi dellelettrolisi dove mette in evidenza la stretta relazione per lelettrolisi tra massa e quantità di carica. Nel 1838 esegue i primi esperimenti di scarica nei gas dove scopre per scariche con pres- sioni di aria <5mmHg la Farady dark space che si produce sul polo negativo, e predice per le scariche nei gas un futuro importante per lo studio della filosofia della natura dellelettricità. D.I.Mendeleev nel 1867 iniziò il suo Osnovi khimii (Principi di chimica) dove iniziava classificando gli alogeni (Cl,Br,I) ed i metalli alcalini (Li,Na,K), in modo da far emergere, nonostante la stessa valenza, la loro contrarietà chimica. Divenne consapevole che per la classificazione degli elementi, oltre che delle loro proprietà chimiche, della necessità di una variabile quantitativa come il peso atomico. Nel marzo del 1869 trovò la soluzione del problema sistemando gruppi di elementi con proprietà simili secondo lodine dei pesi atomici: Ca = 40 Sr = 87.6 Ba = 137 Li = 7 Na = 23 K = 39 Rb = 85.4 Cs = 133 F = 19 Cl = 35.5 Br = 80 Te = 127 Gli elementi classificati secondo il valore dei loro pesi atomici presenta- vano un evidente periodicità di proprietà. Questo metodo permetteva di riempire i posti rimasti vuoti con altri elementi ancora non scoperti e di riclassificarne alcuni, per esempio: propose di cambiare il valore del peso atomico del Berillio da 14 a 9.4 e di attribuire al suo ossido la formula BeO per analogia con MgO invece di Be 2 O 3 formula che era nata per analogia con lallumina Al 2 O 3 determinando così il posto esatto del Be nella tabella periodica degli elementi. Lattribuzione a Mendeleev della tabella periodica non è stata fatta senza contestazioni infatti J.L.Meyer aveva pubblicato una tabella per per pesi atomici e valenze già nel 1864 ma non aveva valutato le contrarietà per elementi con la stessa valenza.

4 W.Crookes esperto nelle pompe da vuoto e nella soffiatura del ve- tro inizia a sperimentare con scariche nei gas. Dopo Farady le scariche nei gas sono state studiate da J.Pluker,W.Hittorf,H:Gaissler e da E.Goldstein. Questi lavori sono la base della moderna tecnologia delle lampade che noi chiamiamo al neon o allogene. Crookes scoprì che se abbassava molto la pres- sione nel tubo di scarica la luminosità generale si trasformava in un fascio ben definito che col- legava il catodo con lanodo. Questo fascio che quando tocca il vetro produce una luce verdas- tra e stato chiamato raggi catodici. Qualunque oggetto posto sul suo cammino produce una ombra netta ed è deviato dal campo magnetico allo stesso di una corrente elettrica. Crookes non aveva nel- lambiente scientifico una buona reputazione perchè credeva nelloccultismo e nello spiritismo. Va ricordato che il tubo di Crookes è stato utilizzato da Rongten per scoprire i raggi X. Nello stesso anno J.Perrin scoprì che una lastra metallica interposta sul cammino dei raggi catodici si elettrizzava negativamente. Tutti i dati portavano a pensare al passaggio di particelle negative in un gas rare- fatto. P.E.Lenard era contrario a questa ipotesi perche aveva visto che i raggi cato- dici ruiscivano ad attraversare alcuni schermi sottili, e deduceva che era costituito da onde elettromagnetiche, stava diventando lopinione prevalente. Il Council for Science Progerss incarica J.J.Thompson di chiarire la natura dei raggi catodici J.J.Thompson pubblica sul Philosophical Magazine On CathodeRays la misura del rapporto e/m per i raggi catodici con un tubo di Crookes. Deviando i raggi catodici con un campo elettrico (mv 2 /e) compensato da un campo magnetico (mv/e). Vide che v dipendeva dalla differenza di potenziale del tubo ed e/m era costantemente uguale a 5.28x10 17 ues/g. Il tubo usato da Thompson è il primo acceleratore di particelle e cento anni dopo lo abbiamo in tutte le case nei nostri video

5 5 Sebbene apparisse chiaro che e doveva avere lo stesso valore della carica elementa- re scoperta da Faraday nellelettrolisi dei liquidi Thompson volle misurarla: a questo scopo utilizzo una camera nebbia inventata da C.T.R.Wilson poco prima. In una camera satura di vapor dacqua priva di polvere, abassando rapidamente la pressione si forma una goccia di acqua su ogni ione. Per piccole espansioni le goccie condensano solo sulle cariche negative, mentre per espansioni mag- giori del 30% anche su quelle positive. Thompson produsse con un tubo a raggi X della ionizzazione in una camera di Wilson. Raccolse le goccie in un piatto metallico col- legato a un elettroscopio, avendo contato le goccie precedentemente, con vari metodi. Trovò e=4.77x ues, uguale al valore della carica elementare che Faraday tro- vò nellelettrolisi. Dal valore di e/m e da e ricavò m=9x g per i raggi ca- todici, ben 1840 inferiore alla massa dellidrogeno. Grande scoperta: Tho- mpson aveva trovato una particella ~2000 volte più leggera del atomo di idrogeno e con carica negativa che chiamò elettrone. Thompson concluse che nelle celle elettrolitiche venivano trasportati atomi carichi positivamente ed i raggi catodici erano costituite da particelle leggere negative, gli elettroni. Thompson a questo punto, comprende che gli atomi non sono le particelle più piccole della materia, ma anche che gli stessi atomi hanno una struttura fatta di particelle positive pesanti e di elettroni negativi molto più leggeri. Propose un modello statico dellatomo costituito da una miscela di cariche positive e negative in equilibrio statico dovuto alle forze atrattive e repulsive elettriche. Furono fatti molti complicati calcoli nel tentativo di correlare le frequenze delle vibrazioni elettroniche con le righe spettrali caratteristiche degli spetti di emissione di ogni atomo, ma non fu trovata nessuna correlazione.

6 6 S N Nel 1907 J.J.Thompson, studiò con un suo tubo invertendo le polartà i raggi che dallanodo vanno verso il catodo. Questi sono chiamati Raggi Canale perchè il catodo aveva dei buchi (canali) per far passare i raggi analizzati poi con un campo elettrico E (e/mv 2 ) e un campo magnetico B (e/mv) paralleli. Ovviamente trovò che i raggi erano fatti di atomi positivi e per ogni elemento si aspettava variando i campi E e B una parabola sullo schermo fluorescente C. Thompson osservò le parabole ma invece di una per ogni elemento ne tro- vò varie. Nel caso del Cloro ne trovò una che corrispondeva ed un altra a Le percentuali di atomi di cloro con diversi pesi atomici (calcolate dallannerimento relativo ad una lastra fotografica risultarono essere il 75.4% e 24.6% e dava per il cloro un peso atomico medio di Il problema sollevato da Prout cento anni prima cominciava a risolversi. Gli stessi atomi di uno stesso elemento con diversi pesi ato- mici furono chiamati Isotopi, avevano evidentemente le stesso proprietà Chimiche ed occupavano lo stesso posto nella tabella di Mendeleev. Sucessivamente, sempre nel laboratorio di Thompson a Cambridge, F.W.Aston mise in evidenza il fenomeno per molti altri elementi chimici per esempio il Cadmio è composto da ben 8 isotopi H.Becquerel, conservatore come suo padre e suo nonno di un museo delle pietre luminescenti a Parigi si entusimò della scoperta dei raggi X e volle provare de venivano emes- si dalle sue pietre. Espose al sole del un minerale chiamato uranile (solfato doppio di uranio e potassio), e trovo che la lastra fotografica ben coperta dal sole mostrava una macchia di ra- diazione corrispondente al minerale. In un periodo senza sole depose casualmente, un pezzo di uranile sopra una chiave ed una lastra fotografica ben incartata in un cassetto. Espose poi il minerale al sole e finalmente sviluppò la lastra e trovò la macchia del minerale con dentro la forma della chiave. Immediatamente comprese che il minerale da solo emana- va una radiazione nuova più penetrante dei raggi X e che nulla aveva a che fare con la luninescenza, era la Radioattività.

7 7 Immediatamente molti scienziati si dedicarono a studiare la radioattività Marie Sklodowska Curie separò chimicamente gli elementi delluranile ed ha scoperto che luranio metallico era 5 volte meno attivo del uranile. Qundi cercò qualche altra sostanza che giustificasse il fatto così scopri un altra sostanza attiva con proprità simili al Bismuto che chiamò Polo- nio, ed un altra simile al Bario ~ 2x10 6 di volte più attiva dellUranio, il Radio. Molte altre sostanze radioattive sono state scoperte in seguito O.Hann nel 1938 ha scoperto la fissione del uranio che con la scoperta di E.Fermi della attivazione con neutroni lenti portò allenergia nucleare ed alle bombe atomiche. Lattivazione con protoni accelerati produsse molti isotopi radioattivi artificiali attualmente molto usati un diagnostica (scinti- grafie, PET positron emissiom tomography) ed in terapia dei tumori come nel caso delle bombe al cobalto che sono sostanzialmente formate da grandi quantità di 60 Co che emette raggi gamma. Per questo tipo di cure attulmente sono usati anche elettroni accelerati e protoni e ioni accelerati per esempio nella cosidetta terapia adronica. Questi metodi sono superiori alla cura con 60 Co perchè rilasciano meno radiazione nei tessuti sani.

8 E.Rutherford, neozelandese che andò a Cambridge a studiare con J.J.Thompson, a 28 anni scoprì lesistenza di tre tipi di radiazione: -Alfa, ioni positivi di Elio, si arresta facilmente con un foglio di carta. -Beta, elettroni molto veloci, attraversano spessori di alluminio anche di 3mm. -Gamma, radiazione elettromagnetica con lunghez- za donda molto più corta dei raggi X, capace di attraversare schermi di Piombo di alcuni cm. La radioattività produce danni biologici dato che ionizza gli atomi producendo radicali chimici liberi che ricombinandosi possono produrre mutazioni genetiche. Sucessivamente Rutherford ed il suo allievo F.Soddy scoprirono che la radioattività era il risultato di una trsformazione spontanea di un elemento in un altro. ( Ci si avvicinava alla pietra filosofale degli alchimisti?) DECADIMENTI DALLURANIO AL PIOMBO attraverso i decadimenti alfa e beta Sono dati numero e peso atomico, il simbolo dellelemento e la vita media VITA MEDIA N=N 0 e -λt

9 9 Alcuni esperimenti fatti, da Thomoson, Lenard ed altri, con urti di elettro- ni su materiali confermarono il modello dellatomo di Thompson. Rutherford a seguito di una disputa sulla natura dei raggi alfa con Becque- rel, dove si erano manifestati urti a grandi angoli di alfa, che passavano in aria, propone un esperimento, eseguito nel suo Laboratorio di Manchester, da H.Geiger e E.Marsden sullurto di particelle pesanti come le alfa su foglietti molto sottili di Oro. Verificarono che 1/8000 le alfa era respinte a e la distribuzione angolare delle alfa dopo lurto era incompatibile con urti multipli come prevedeva il modello di Thompson. Lesperimento dava evidenza di urti singoli e forti secondo la formula sviluppata dal ma- tematico R.H.Fowler. Rutherfor nel 1911 pubblica sul Ph, M. un saggio: The scattering of alfa and beta particles by matter and the stucture of the atom. La massa dellatomo era concentrata in un raggio volte più piccolo del raggio dellatomo cioè cm. Gli elettroni negativi simili a pianeti ruotavano intorno al nucleo positivo. Questo modello spiegava lurto di particelle pesanti come le alfa e gli urti multipli degli elettroni sulla nuvola elettronica. Questo modello ( già proposto da J.Perrin nel 1901) che rispondeva bene ai risultati sugli urti, poneva grossi problemi: - Come stavano insieme i nuclei fatti di particelle positive? Era necessa- ria una nuova forza che contrastasse e superasse quella di Coulamb. - Come facevano gli elettroni a ruotare intorno ai nuclei senza irraggiare e poi cadere sui nuclei stessi?

10 10 Si è sempre saputo che la materia preventivamente riscaldata emette ra- diazione luminosa e calorica. Gli studiosi del 700 sapevano che aria ra- refatta eccitata dallelettricità produceva luci colorate. Risultati simili si ottenevano anche evaporando sostanze alla fiamma. La luce analizzata con un prisma, eccitando liquidi e solidi, mostrava spettri piuttosto conti- nui, mentre i gas presentavano spettri parziali che li caratterizzavavo. ~1802 W.Wollaston riprese lesperimento di Newton sullo spettro della luce solare ma con un prisma più sensibile e trovò che allo spettro continuo newtoniano, quando la fessura della finestra era sufficientemente stretta, si sovrappo- nevano sette righe scure. Questa osservazione rimase senza spiegazioni. J.vonFraunhofer un costruttore di strumenti ottici di Monaco di Baviera, pochi anni dopo riprese lo studio di Wollaston, con strumentazione molto sensibile, egli individuò nella luce solare una serie di ben 700 righe scure, determinò per alcune di esse la lunghezza donda corrispondente designando le righe principali a partire dal rosso con lettere dellalfabeto da A sino ad H. Estese poi lanalisi spettroscopica ad altri corpi celesti, verificando che gli spettri aveno un certo ordine interno. Suggerì lidea che la luce del Sole e delle altre stelle era assorbita in corrispondenza delle righe scure, di sostanze specifiche. Questa idea ha aperto la porta allAstrofisica con sviluppi spettacolari e sorprendenti. Per migliorare le sue misure Fraunhofer introdusse il reticolo difrattivo il primo costruito con fili dArgento su supporti, e poi incidendolo su vetri J.Herschel propose che lo studio delle righe scure dello spettro stellare potesse essere utilizzato per determinare la presenza di elementi chimici negli astri. Allepoca alcuni filosofi pensavano che era totalmente inutile pensare a composizioni chimiche delle stelle perchè mai si sarebbero potuto verificare. LUCE E RADIAZIONE EMESSE DALLA MATERIA

11 R.Bunsen e G.R.Kirchhoff intrapresero uno studio sistematico dei colori alla fiamma di vari elementi e scoprirono che ogni elemento ha righe di emissione a diversi colori caratteristiche di ogni elemento. An- che poche righe spettrali sono sufficienti per rivelare la presenza di un elemento. Con un buon spettroscopio coprirono così nuovi elementi alcalini co- me il Cesio (1860) ed il Rubidio (1861). Diedero anche le basi teoriche per spiegare lemissione e lassorbimento della luce ed avviarono ed inizia- rono, su basi solide lo studio della composizione del Sole. Spettri atomici Spettro dellidrogeno Spettro solare Spettro di assorbimento dellidrogeno

12 P.Zeeman fisico olandese, che lavorava nel famoso laboratorio di H.Kamerling Omnes famoso perchè per primo raggiunse temperature vicine allo zero assoluto scoprendo la superfluidità dellelio ed anche la supercondut- tività di alcuni metalli, aproffittando del assenza per una vacanza di Omnes, che lo obbligava a studiare solo sistemi criogenici, compì ricerche sullinfluenza del campo magnetico sulle righe spettrali. Scoprì così lallargamento della riga D (gialla) del sodio che ben presto si rivelò co- me una scissione della riga in un gruppo di tre righe. Questo effetto è denominato Effetto Zeeman. Successivamente leffetto Zeeman fu inerpretato da Lorentz come la presenza di cariche elettriche rotanti dentro al nucleo con orbite che venivano modificate dal campo magnetico. In base a questa ipotesi calcolò il rapporto e/m che era uguale a quello trovato da Thompson per i raggi catodici quindi si poteva dedurre che gli elettroni erano presenti allinterno dellatomo con le stesse caratteristiche dei raggi catodici. F = eE in dt l'impulso di F è uguale a mdv mdv = Fdt = eEdt = e(ΔV/l)dt = e(Ri/l)dt = (eR/l)dq v mdv = eR/l dq mv = eRq/l e/m = lv/Rq e/m = -1.6x C/g q e = 1.6x C m = g = m e GLI ELETTRONI SONO I PORTATORI DI CARICA NEI CONDUTTORI ESPERIMENTO DI STEWART E TOLMEN Per comprendere la natura dei portatori di carica delle correnti eletriche omiche eseguirono un esperimento con una bobina mobile fatta velocemente ruotare con velocità. Dopo in certo tempo anche le cariche che trasportano la carica si metteranno a ruotare, si blocca con un freno la rotazione e se le cariche hanno massa per inerzia si muoveranno nel filo dando luogo al movimento istantaneo di una carica dq che misurata con un galvanometro balistico permentte di risalire al rapporto e/m dei portatori di carica nei conduttori.

13 13 Kirchhoff suggerì che in una cavità a temperatura T, riempita con radiazi- one luminosa di una certa lunghezza donda, nellipo- tesi che si raggiunga lequilibrio tra emissione ed assorbi- mento si poteva studiare lemissione di radiazione tra di un elemento di superficie. Si trattava di trovare una funzione che esprima il rap- porto tra energia emessa ed energia assorbita alla temperatura T: In un sistema isolato, un corpo rinchiuso dentro un altro, dopo un certo tempo, rag- giunge la temperatura dellinvolucro, anche se sono legati solo il vuoto più spinto. I ma LEGGE DI KIRCHHOFF: T0T0 T1T1 t Lindagine su emissione ed assorbimento di luce implicava questioni generali sulla radiazione. Kirchhoff formula questa legge: Il caso è particolarmente interessante quando, quindi quando cè assorbimento totale. La cavità di questo tipo sono chiamate cavità di corpo nero. Quale forma a W? Il rapporto tra il potere emittente ed il potere assorbente è identico per tutte le superfici alla stessa temperatura, allequilibrio. II da LEGGE DI KIRKHHOFF:

14 14 Per rispondere a questa domanda furono fatte molte misure da molti studiosi: J.J.H.Muller, L.Nobili, M.Melloni e J.Tindall e successivamente con metodi più precisi, introdotti da A.Rowland che usava un reticolo sviluppato da J.A.Anstrom, A.P.P.Crova e S.P.Langley mostrarono che la funzione K era assimmetrica e nel 1899 E.Prinsgsheim e Lammer diedero gli spettri finali. Negli ultimi 20 anni dell800 molti fisici come Wien, Thiesen, Jens, Lord Rayley ed altri, cercarono senza riuscirci di interpretare i risultati sperimentali. I tentativi furono numerosi ma nessuno si avvicinò alla soluzione del problema. Infatti il problema del corpo nero come quello della emissione delle righe spettrali comportava un tipo di fisica fino ad allora completamente sconosciuta la Meccanica Quantistica. W La linea tratteggiata rappresenta la leggedi W. Wien che da ragione dello spostamento del massimo di emmissione in funzione di λ con la temperatura λ max T = T λ max A.Einstein pubblica il suo terzo articolo, questa volta suggerisce di utilizzare il moto Browniano per determinare la dimensione degli atomi, e fa il calcolo per determinare il N 0 di Avogadro misurando il libero cam- mino medio nel moto Browniano. Il risultato dellesperimento fu pubbli- cato da J.Perrin nel Coincideva perfettamente con il N 0 di Avoga- dro calcolato con le leggi di Faraday dellelettrolisi e la carica dellelet- trone misurata da Thompson. Dopo questo risultato nessuno dubitò più della natura atomica della materia.

15 15 DEDUZIONI DI LORD RAYLEIGH E SIR JAMES JEANS Con il principio di equipartizione dellenergia dedotto dalla meccanica Newtoniana, Maxwell dedusse le dis- tribuzioni delle velocità delle moleco- le nei gas (teoria cinetica dei gas). NmNm spettro delle velocità delle moleco- le della teoria cinetica dei gas. Que- sta osservazione gli indusse ad ap- plicare alla radiazione termica lo stesso principio di equipartizione che tanto successo aveva avuto con i gas. Proposero cioè che lenergia raggiante totale sia ugualmente dis- tribuita fra tutte le possibili fre- quenze di vibrazione e dedussero: W bb = 8πν 2 kT/c 3 Prevede che ad alte frequenza ci sia una grande emissione, fatto non vero e assur- do per cui nasce un grave problema, vale a dire, la natura in questo caso non Rayleigh e Jeans osservarono che lo spettro del corpo nero in funzione del- le frequenze assomigliava molto allo ( In un recipiente per quanto grande il numero di molecole è sempre finito mentre in una cavità radiante le frequenze sono infinite) rispetta il principio di equipartizione dellenergia. A.Einstein W. Wien

16 16 MAX PLANK E IL QUANTO DI ENERGIA 1900-Max Plank si limitò inizialmente a trovare una formula empirica che fosse in accordo con le misure sperimentali del W bb : In seguito dedusse, con grande difficoltà, la formula dal elettromagne- tismo sostituendo gli integrale con delle serie e ponendo la condizione che lenergia delle onde elettromagnetiche può esistere soltanto sotto forma di pacchetti discreti, o quanti, essendo il contenuto di energia di ogni quanto proporzionale alla frequenza corrispondente. n numero intero h costante di Plank ν frequenza SIGNIFICA CHE LENERGIA È QUANTIZZATA Fu una vera rivoluzione, da qui inizia la meccanica quantistica LEGGE DI STEFAN BOLTZMANN W bb = σT 4 Il massimo dello spettro del corpo nero: Trovata da Stefen e dedotta da Boltzmann dalla formula di Plank

17 17 EFFETTO FOTOELETTRICO Un metallo illuminato da raggi UV emette elettroni: -esiste una soglia in frequenza - il numero di elettroni dipende dalla intensità della radiazione -lenergia degli elettroni dipende da ν - il processo è molto rapido < sec Con la teoria classica il fenomeno non si spiega, per esempio lenergia degli elettroni dovrebbe dipendere dallin- tensità della radiazione e non da ν Einstein con lipotesi di Plank E=hν spiega il fenomeno con il fatto che quando lelettrone è colpito da un quanto di radiazione acquista tutta lenergia del quanto o non acquista nulla mv 2 max /2 = hν - Φ dove Φ lavoro di estrazione. CONFERMA LA QUANTIZZAZIONE DELLENERGIA

18 18 QUANTIZZAZIONE DELLA CARICA ELETTRICA fino al 1917 R.A.Millikan esegue una serie di esperimenti La carica elettrica è quantizzata e la carica dellelettrone è la carica minima.

19 E.Rutherford seguendo un lavoro del suo allievo Marsden, che mostrava che in urti di particelle alfa con gas molto rarefatto di Idrogeno, mentre tutte le alfa si fermavano dopo un certo percorso, in questo caso qualche particella andava oltre. Fino ad allora i nuclei si erano manifesti interi o come radiazione alfa, cioè solo i nuclei di Elio. Rutherford si con- vinse che le particelle viste da Marsden fossero nuclei di Idrogeno urtati dalle alfa. Fece una serie di esperimenti con particelle alfa che urtavano gas rarefatti di elementi leggeri come Litio, Berilio, Boro e Fluoro. In tut- ti questi casi trovò particelle che percorrevano distanze maggiori delle alfa e quindi più leggere e cariche positivamente e simili a i nuclei di idrogeno del esperimento di Marsden. Chiamò questa particella Protone e si comprese che dentro ai nuclei esistevano i protoni. Il nucleo costituito di soli protoni non era credibile per via dellesistenza degli isotpi. Si pensò alla presenza di un certo numero di elettroni nel nu- cleo, una riedizione in piccolo del atomo di Thompson. Ma era noto che per ragioni quantistiche gli elettroni confinati nelle dimensioni di un nu- cleo dovevano avere energie dellordine del miliardo di eV e non sembra- va ragionevole. Nel 1920 Rutherford propose lesistenza di una particel- la neutra con massa simile al protone. Al laboratorio Cavendish di Cam- bridge organizzarono la caccia a queste particelle. Per anni non trovarono nulla, ma finalmente: J.Chadwich sempre al Cavendish bombardando con delle alfa del berilio trovò una radiazione molto penetrante neutra con massa simile al protone che fu chiamata Neutrone. Finalmente tutti gli attori arano nella commedia si poteva pensare per esempio alle alfa (nuclei di elio) costitui- te da 2protoni e due neutroni, il carbonio di massa 12 costituito ma con solo 6 elettroni, costituito da 6 protoni e 6 neutroni ecc. ecc. In questo modo ebbe inizio la fisica Nucleare che portò alla comprensio- ne del funzionamento delle stelle, dei reattori nucleari, della bomba ato- mica, e delle applicazioni mediche come lNMR e la medicina nucleare.

20 A.H.Compton pubblicava sul Physical Review A quantum theory of scattering of X-rays by light elements, dove dava i risultati di urti di raggi X su elettroni orbitanti in elementi leggeri. Faceva osservare che la teoria classica prevedeva che i raggi X interagiva- no con lintera nuvola elettronica mentre la teoria quantica ogni X utrava un elettrone che rinculava singolarmente e risultava dopo lurto una radi- azione X con una lunghezza donda inferiore al incidente e legata allan- golo di emissione dalla relazione: che era in perfetto accordo con i dati sperimentali. Con questo esperimen- to che confermava i risultati delleffetto foteletrico si era accertata in modo definitivo la doppia natura delle onde elettromagnetiche come corpuscoli ed onde.


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