Introduzione qualitativa alla Meccanica quantistica Prof. Roberto Falciani Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Firenze Introduzione qualitativa alla Meccanica quantistica Liceo Varchi – Ott./Nov. 2013

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA La Terra esiste, come la vediamo, perché esiste il SOLE, come lo vediamo. Il SOLE ci invia l’ENERGIA necessaria alla nostra VITA sotto forma di RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA cioè ENERGIA (Joule, Cal.?) che si propaga nel vuoto tramite ONDE ELETTROMAGNETICHE (ELM) con una velocità di circa 300000 Km/s

Campi elettromagnetici (cioè elettrici e magnetici intrinsecamente collegati l’uno all’altro) sono in grado di applicare FORZE alle cariche elettriche che incontrano nel loro percorso. Le ONDE ELM monocromatiche sono caratterizzate da 2 parametri fondamentali: frequenza (f) e lunghezza d’onda (λ) legate dalla relazione λ x f = c (1/f=T periodo)

Qualunque corpo emette (ma anche assorbe Qualunque corpo emette (ma anche assorbe!) ONDE ELETTROMAGNETICHE (ELM). Un “radiatore” perfetto è capace di emettere e assorbire ONDE ELM di qualunque λ e f si chiama CORPO NERO.

Ricordiamo solo due leggi dell’emissione del CORPO NERO: Legge di Stefan: P = σ ∙ T⁴ Legge di Wien: λ (MAX) ∙ T = 0.2897 cm K

Spettro della radiazione solare; notare le spesse bande di assorbimento nell’IR, origine dell’effetto serra

Effetto Fotoelettrico (Lenard, 1902)

Per esperienza di Millikan (misura carica dell’elettrone) vedere: Apparato per esperienza di J.J.Thomson (1897) Viene misurata la carica specifica dell’elettrone: e/m = - 1.75588 ∙ 10¹¹ C/Kg (valore attuale) Per esperienza di Millikan (misura carica dell’elettrone) vedere: hep.fi.infn.it/ol/samuele/_piano_lauree_scient/Millikan.pdf e = - 1.6022 ∙ 10⁻¹⁹ C

Esperienza di Rutherford – Geiger – Marsden (1911)

Spettro idrogeno

Diagramma di Grotrian per idrogeno

Esperienza di Franck-Hertz

Lunghezze d’onda delle righe delle serie di Lyman (UV) Balmer (visibile) Paschen (IR) dell’H

Determinazione energie associate alle righe misurate nelle prime 3 serie spettrali dell’H (con hp quantistiche)

Fitting (manuale!) della formula di Balmer ai dati ottenuti dalle misure

Fitting (manuale!) per la serie di Lyman (N.B.: torna con Balmer!!)

Fitting (manuale!) per la serie di Paschen; accordo con i valori ottenuti per Balmer e Lyman, quindi siamo confidenti che i risultati ottenuti rappresentino effettivamente qualcosa di “reale” nella struttura fisica dell’atomo di H.

Profilo di diffrazione (Fraunhofer) da fenditura singola

Diffrazione ed interferenza di un’onda elm piana monocromatica su due fenditure adiacenti (esper. di Young)

Schema dispositivo sperimentale per ottenere figure di diffrazione da raggi X e da e⁻ Figura di diffrazione con raggi X Figura di diffrazione ottenuta con e⁻ aventi la stessa lunghezza d’onda di De Broglie dei raggi X sopra detti

Esperienza di Davisson-Germer

Esperienza di Tonomura (1989) sulla diffrazione e interferenza di un fascio di elettroni monoenergetici su un sistema di due fenditure effettuato con diversi flussi di elettroni: → 10 e⁻ b) → 200 e⁻ c) → 6000 e⁻ d) → 40000 e⁻ → 140000 e⁻ Evidente il comportamento identico a quello di un’onda elm monocromatica (per flusso statisticamente “sufficiente” di e⁻!) , che dimostra tangibilmente il cosidetto dualismo onda-corpuscolo a livello microscopico della materia.

Spostamento Compton di raggi X diffusi da atomi di C

Esperienza di Stern-Gerlach (1923): dimostrò l’esistenza dello spin

Esperienza di Stern-Gerlach: dettagli

Effetto tunnel : particelle atomiche hanno una probabilità non nulla di poter “passare” una barriera di potenziale (v. emissione α da nuclei)