Le rivoluzioni scientifiche del XX secolo: la rivoluzione atomistica e la meccanica quantistica

ATTENZIONE !!! Now, what I want is, facts. Teach these boys and girls nothing but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant nothing else, and root out everything else. You can only form the minds of reasoning animals upon Facts: nothing else will ever be of any service to them. This is the principle on which I bring up my own children, and this is the principle on which I bring up these children. Stick to Facts, sir!   Charles Dickens

L’EMPIRISMO Aristotele 384 a.C. – 322 a.C. John Locke, Thomas Hobbes, Francis Bacon

I Principi dell’empirismo Ogni corpo in natura è in principio isolabile purché lo si allontani sufficientemente dagli altri corpi Il corpo isolato si muove di moto rettilineo uniforme a meno che non sia soggetto a forze esterne

All’inizio del 900 vennero a maturazione, contemporaneamente, due rivoluzioni: La rivoluzione atomistica (prova finale dell’esistenza degli atomi sulla base dei lavori sull’interpretazione dei moti Browniani di Einstein e dei lavori di spettroscopia atomica) La rivoluzione quantistica, nata nel 1900 con il celebre lavoro di Max Plank sulla radiazione di corpo nero

…al termine del XIX secolo…

Il problema del “corpo nero” Forno ad una ben determinata Temperatura dalla cui feritoia emerge Una radiazione termica

PRINCIPIO di EQUIPARTIZIONE DELL’ENERGIA: l’energia cinetica media associata da ogni grado di libertà, ad una data temperatura é proporzionale ad ½ KT Le pareti del forno sono fatte di materia calda, che la teoria cinetica di Maxwell e Boltzmann descrive mediante I moti disordinati di atomi e molecole che, urtandosi, producono campi elettromagnetici, altrettanto disordinati che riempiono il forno. La frequenza  che contraddistingue questi campi vale zero per T=0 e poi cresce proporzionalmente a T Applicando le leggi della meccanica classica si otteneva che, ad ogni temperatura, l’intensità crescesse continuamente al crescere della frequenza della radiazione

La proposta di Max Planck (1901) Un oscillatore di frequenza  non può assumere TUTTI i valori di energia ma solo valori discreti, cioè proporzionali ad una costante

Nella meccanica classica le proprietà discrete della materia (atomi, molecole) non si conciliano con quelle continue della radiazione elettromagnetica Plank intuisce che i paradossi scompaiono se si ammette che lo scambio di energia tra materia e radiazione avviene in “pacchetti” la cui grandezza dipende dalla frequenza della radiazione scambiata. Anche il campo elettromagnetico viene “spezzettato”, sbriciolato allo scopo di ricostruire il meccanismo di interazione con la materia

Effetto fotoelettrico Poichè all'epoca la luce era considerata un'onda la forza di espulsione degli elettroni sarebbe dovuta dipendere solo dall’intensità della luce e non dalla sua frequenza, quindi non c'era ragione di pensare che luci rosse, verdi o blu avrebbe dovuto avere effetti diversi. Al contrario una debole luce rossa o una debole luce verde avrebbero dovuto espellere gli elettroni con meno forza di una intensa luce rossa o di una intensa luce verde.   Ma questo non accadeva! Al variare dell'intensità cambiava soltanto il numero degli elettroni espulsi, ma la velocità di espulsione degli elettroni rimaneva esattamente la stessa! 

Effetto fotoelettrico (1905) Schema dell’effetto fotoelettrico. Fotoni incidenti su una superficie di potassio. I fotoni con frequenza maggiore (lunghezza d’onda minore) comunicano velocità maggiori agli elettroni espulsi dopo averli urtati. Le lunghezze d’onda sono date in nanometri (nm) e le corrispondenti energie cinetiche dei fotoni in elettronvolt (eV). Fotoni con energia inferiore a 2 eV non sono in grado di estrarre elettroni.

Effetto Compton (1922) L’esperimento evidenziò che la radiazione uscente veniva deviata in tutte le direzioni e che la frequenza dell’energia in uscita era molto più piccola di quella del fascio in entrata. La logica spiegazione di tali riscontri era che i singoli fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero essi stessi energia; in pratica si comportavano come palle da biliardo che ne colpivano altre. 

La luce presenta quindi una doppia natura: Corpuscolare Ondulatoria Dualismo onda-particella

Ipotesi di De Broglie (1924) "The fundamental idea of [my 1924 thesis] was the following: The fact that, following Einstein's introduction of photons in light waves, one knew that light contains particles which are concentrations of energy incorporated into the wave, suggests that all particles, like the electron, must be transported by a wave into which it is incorporated... My essential idea was to extend to all particles the coexistence of waves and particles discovered by Einstein in 1905 in the case of light and photons." 

Esperimento di Davisson e Germer (1922)

11 elettroni 200 elettroni 600 elettroni 40000 elettroni 140000 elettroni

Nella nuova visione del mondo, i due sistemi irriducibili della fisica classica, particelle e campi, vengono a fondersi in un unicum in cui la discontinuità del quanto e la continuità del campo si tramutano incessantemente l’uno nell’altra La materia ed il movimento non sono separabili, anzi la materia è dotata di una capacità intrinseca di automovimento

L’equazione di Schroedinger (1925) funzione d’onda: Probabilità di trovare la particella nel punto di coordinate x,y,z al tempo t

Il Gatto di Schroedinger …almeno finchè non si apre la scatola !!!

Ma il concetto di “fotone” isolato come pure di atomo isolato è un’astrazione che non ha fondamento nella realtà

Il calore specifico (1910) Nernst fu il primo a rendersi conto che il mondo dei quanti é un mondo fluttuante, ma le fluttuazioni sono ben diverse dalle fluttuazioni termiche: Intrinseche le prime Indotte dall’esterno le altre L’anomalia del calore specifico per T→0 III principio della Termodinamica Premio Nobel per la chimica nel 1920

Legge di Dulong & Petit Contributo di Einstein → oscillatore armonico quantistico Contributo di Debye →numero massimo di modi di vibrazione in un solido (analogia con i modi nella cavità di corpo nero)

Un corpo può pure essere allontanato indefinitamente dagli altri corpi, ma non può in nessun caso liberarsi del vuoto. Attraverso il vuoto tutti i corpi acquistano la capacità di interagire tra loro.

Niels Bohr e la scuola di Copenhagen Teorema di Bell Albert Einstein La realtà fisica obbedisce alle leggi della meccanica quantistica La realtà fisica è suscettibile di una descrizione oggettiva, cioè indipendente dall’osservatore La realtà fisica è descrivibile come un insieme di eventi localizzabili nello spazio e nel tempo Niels Bohr e la scuola di Copenhagen David Bohm

Now, what I want is, facts. Teach these boys and girls nothing but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant nothing else, and root out everything else. You can only form the minds of reasoning animals upon Facts: nothing else will ever be of any service to them. This is the principle on which I bring up my own children, and this is the principle on which I bring up these children. Stick to Facts, sir!