Introduzione ad alcuni concetti di Fisica Moderna

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1 Introduzione ad alcuni concetti di Fisica Moderna
Casarano, 15/10/2009 Introduzione ad alcuni concetti di Fisica Moderna L. Martina Dipartimento di Fisica - Università del Salento e Sezione INFN - Lecce Il seminario contiene alcuni elementi introduttivi alla Meccanica Quantistica, con qualche indicazione didattica per l’insegnamento nella scuola secondaria superiore. Si fa riferimento soprattutto al comportamento fuori dal comune di due tra I costituenti fondamentali del mondo microscopico: l’elettrone ed il fotone. Si menzionano gli esperimenti che hanno condotto alla loro scoperta e che evidenziano  il loro comportamento particellare. Tuttavia essi  manifestano proprietà ondulatorie complementari a quelle particellari. Il legame tra i due aspetti è espresso dalle relazioni di Planck - Einstein - de Broglie. Tali relazioni introducono la costante universale di Planck, la quale caratterizza il carattere quantizzato della Natura. Questa è la nozione attorno alla quale si sviluppa la nostra concezione del mondo fisico. Pertanto si spendera’ qualche dettaglio attorno ad alcune proposte didattiche per una sua misura.

2 La Natura è il Mondo dei Quanti
Perché malleabile e conduttore? Fisica Classica Come si trasforma la luce in forza vitale? Perché isolante e trasparente? Fisica Quantistica Meccanica Elettromagnetismo Da dove trae energia? Termodinamica

3 Micro-Macro Fisica I concetti del Mondo dei Quanti non possono essere costruiti sulla sola osservazione e interpretazione dei fenomeni e delle evidenze sperimentali dirette (macroscopiche) Interazione Radiazione – Materia a livello microscopico Il mondo a noi sensorialmente accessibile è necessariamente “classico” La coerenza interna della Fisica richiede una forte revisione critica dei concetti della Fisica Classica. Il mondo dei fenomeni fisici non è lo stesso di prima!

4 Molecole e Moto Browniano http://www.microscopy-uk.org.uk
/dww/home/hombrown.htm mod milk In questo articolo dovremo mostrare che, …., particelle di dimensioni visibili al microscopio sospese in un fluido, in seguito al moto molecolare del calore possono descrivere moti osservabili. A. Einstein, Ann. d. Phys., 17 (1905) 549 Coefficiente di diffusione NA = Numero di Avogadro d = raggio della particella h = coeff. di viscosita’

5 Moto Browniano e Blu del Cielo
0.1 mm 0.6 mm 1.2 mm rivelatore Iu = 520 nm, a= cm-1, h= cm-1 = 650 nm, a= cm-1, h= cm-1 Acqua dist. sorgente I0 J. Perrin: “ Les Atomes“, (Paris, 1914)

6 La scoperta dell’elettrone
“We have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and the same kind; this matter being the substance from which all the chemical elements are built up." (J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London Phil. Mag. J. Science, V, Oct.1897 ) B -1.758 820 12(15) x 1011 C kg-1

7 Misuriamo e/m tubo di Wehnelt
bobine di Helmholtz , alimentatori, voltimetri, amperometro cavetti di collegamento

8 L’esperienza di Millikan
e = 1.602 176 53(14) x 10-19 C     Quantizzazione della carica !!!

9 Relative standard uncertainty
1.602 176 487 x 10-19 C  Standard uncertainty  0.000 000 040 x 10-19 C   Relative standard uncertainty   2.5 x 10-8

10 La Scoperta della Struttura Atomica
Incoerenza con la Fisica Classica!!

11 Modell Atomico di Bohr                                           Formula di Balmer

12 L’effetto Fotoelettrico
Hertz, Quarzo SI Gesso SI Vetro Ridotta Legno Nulla Lenard

13 Relazioni caratteristiche dell’effetto fotoelettrico
Frequenza fissata Solo luce con frequenza > frequenza di soglia produce una corrente La corrente è attivata in tempi < 10-6 s L’azione “puntuale” della luce incidente Proporzionalita’ tra corrente e intensità luminosa incidente Il potenziale di arresto è proporzionale alla frequenza della luce incidente Incoerente con la Fisica Classica !!!

14 E = w + eVr. E = hn Einstein – Planck

15 Misura della costante di Planck
hn = eVdiodo + cost GaAs1-x Px 1.43 eV per x=0 2.26 eV per x=1; l(mm) » hc/Eg » 1.24/Eg(eV) 850 > l > 550 nm eVd = hn + Q Vd: d.d.p. effettivamente applicata alla giunzione pn Q: calore, altre transizioni non luminose Vd = Vdiodo - Rs Id ILED1 = ILED  Q(ILED1) = Q(ILED2) n = (e/h ) Vd + cost

16 e/h = 2.418×1014 s-1V-1. e/h = 2.418×1014 s-1V-1. h /e = (3.99 ± 0.22) × V s e = × Coulomb h = (6.39 ± 0.35) × J s.

17 Spettro di Corpo Nero L.Wien Ipotesi di Plank (1900): per ogni data frequenza, il sistema materiale può scambiare con la radiazione multipli interi di un quanto fondamentale Ipotesi di Planck dei Quanti (1900)

18 Relazioni Planck - Einstein
¡ Fotoni ! Einstein (1905) Elettromagnetismo Classico Relazioni Planck - Einstein Invariante Relativistico … e la DIFFRAZIONE !?!

19 Effetto Compton (1923) Cons. dell’energia Cons. Quantità di moto

20 Diffrazione di luce e di particelle
Elettroni su Au policristallino Raggi X su un monocristallo di NaCl Neutroni termici su un monocristallo di NaCl Diffrazione di Bragg

21 Diffrazione di singolo fotone

22 Elettrone su doppia fenditura
em/doubleslit.cfm P.G. Merli, G.F. Missiroli, G. Pozzi, Am. J. Phys. 44 (1976 )

23 La Fisica possiede* una “costante di scala” : il quanto d’azione
h = × m2 kg / s determina la granularità intrinseca della natura, Relazioni di Planck – Einstein – de Broglie proporzionalità fra grandezze descrittive di un oggetto quantistico .                           . Grandezze “corpuscolari” “ondulatorie” Complementarietà onda-corpuscolo * Altre scale: c = m s-1 Relatività

24 Applicazioni

25 semplicemente diverso.
Noi sappiamo quale è il comportamento degli elettroni e della luce. Ma come potrei chiamarlo? Se dico che si comportano come particelle, dò un'impressione errata. Ma anche se dico che si comportano come onde. Essi si comportano nel loro proprio modo inimitabile che tecnicamente potrebbe essere chiamato il "modo quanto meccanico". Si comportano in un modo che non assomiglia a nulla che possiate aver mai visto prima. La vostra esperienza con cose che avete visto prima è incompleta. Il comportamento delle cose su scala molto piccola è semplicemente diverso. (R. P. Feynman)