La nascita della fisica moderna. (un racconto di inizio 900)

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1 La nascita della fisica moderna (un racconto di inizio 900)

2 Sviluppo storico della fisica tra fine 800 e il 1927 Fisica sperimentale fine 800 Fisica teorica fine Raggi X radioattività Carica e massa dell elettrone meccanica termodinamica elettromagnetismo Planck: il fotone Einstein:effetto fotoelettrico e relatività ristretta Rutherford: la struttura dell atomo Bohr: orbite planetarie dell atomo Einstein: relatività generale De Broglie: natura ondulatoria dell elettrone Schrödinger-Heisenberg Jordan-Born-Dirac: la meccanica quantistica

3 Thomas S. Kuhn Descrive lo sviluppo della scienza come una successione delle seguenti fasi: Scienza normale all interno di un paradigma Anomalie o crisi del paradigma Sostituzione del vecchio paradigma con uno nuovo Scienza normale.. Altri filosofi della scienza parlano di mutamento della gestalt

4 Musica: come produrre suoni facendo vibrare una corda fissata agli estremi? Si possono avere onde solo se la lunghezza della corda è metà lunghezza d onda, o come la lunghezza d onda, o 3/2, o il doppio, o 5/2, o il triplo cioè se è multiplo di mezza lunghezza d onda. Si dice che la lunghezza d onda è quantizzata,, o che essa assume valori discreti. λ = 2 l n n

5 Esperienza di Young

6 Fisica teorica fine 800 Meccanica (Galileo, Newton, Lagrange, Hamilton) Termodinamica (Carnot, Clausius, Kelvin) Elettromagnetismo (Faraday, Ampere, Maxwell)

7 Fisica sperimentale fine 800 Raggi X (Rontgen) Radioattività (Becquerel e Curie) Carica e massa dell elettrone (Zeeman, J.J. Thomson, Millikan)

8 Spettro delle onde elettromagnetica Le cariche, quando sono accelerate, emettono onde e.m. che, in funzione della loro frequenza, assumono caratteristiche, e nomi, diversi.

9 Spettri discreti La luce emessa da una sorgente qualsiasi può essere analizzata; il modo più semplice è attraverso un prisma ottico

10 Si osservò che la luce emessa da alcuni elementi costituiva spettri discreti, cioè erano presenti solo alcuni colori dello spettro di emissione

11 Un problema assillava i fisici alla fine dell 800: spiegare lo spettro di emissione del corpo nero. In pratica questo problema è legato alla spiegazione dell esperienza per la quale un oggetto riscaldato cambia colore al variare della temperatura: inizialmente ha colore normale, poi emette calore, poi diventa rosso, quindi giallo fino a diventare bianco. Questo fenomeno non era spiegabile con le leggi della fisica classica.

12 14 Dicembre 1900 Max Planck riesce a spiegare il fenomeno con il postulato che: L energia E delle onde elettromagnetiche può esistere solo in pacchetti discreti o quanti proporzionalmente alla frequenza E = h ν dove ν = frequenza h = costante di Planck = 6, J s

13 1905 Einstein, basandosi sull ipotesi dei quanti di Planck, riesce a dare una spiegazione teorica dell effetto fotoelettrico: cioè l emissione di elettroni dalle superfici metalliche irradiate con raggi violetti o ultravioletti

14 Nel 1911 Rutherford propone un modello simile a quello che descrive il moto dei pianeti attorno al sole (modello planetario) La parte centrale, detta nucleo, è di carica positiva ed è molto piccola, mentre intorno orbitano le cariche negative, gli elettroni.

15 1913 Nel modello planetario proposto da Rutherford l elettrone doveva in pochi istanti cadere sul nucleo e irraggiare energia. Bohr per superare tale difficoltà, e spiegare gli spettri discreti, postula che: Esistono orbite privilegiate e solo esse possono essere percorse dall elettrone. Finché l elettrone rimane su tali orbite non emette energia elettromagnetica.

16 A queste orbite corrispondono valori ben definiti di energia, che perciò risulta quantizzata. Un atomo emette radiazione solo passando da uno stato all altro, e il fotone emesso ha un energia pari alla differenza di energia tra le orbite.

17 L inizio del 900 è un periodo ricco di novità e di ripensamento dei fondamenti Nella pittura Matisse Lusso, calma e voluttà, 1904

18 Mondrian Grande composizione, 1920

19 Nella musica: Debussy La mer, 1905 Schoemberg Pierrot Lunaire, 1912

20 1925 de Broglie immagina che l elettrone sia accompagnato da un onda lungo tutta l orbita. In ogni orbita, in analogia con la corda vibrante, doveva esserci un multiplo intero di lunghezze d onda. λ = 2 π r n n

21 In tal modo si può associare all elettrone, e, nella formulazione completa della teoria, ad ogni oggetto materiale, un onda, in maniera simile ma opposta all associazione di una particella (il fotone) all onda elettromagnetica. λ = m h v

22 Heisenberg, Born, Jordan, Dirac: Formulazione della meccanica delle matrici che permette di calcolare grandezze fisiche (energia, velocità, ) per l elettrone, inizialmente per semplici casi, ma in linea di principio per qualsiasi sistema.

23 1926 Schrödinger Formulazione della meccanica ondulatoria che permette una maggiore visualizzazione della traiettoria dell elettrone, però in termini probabilistici.

24 Fine anni 20 Dimostrazione di Schrödinger, e poi ampliamento e affinamento di Dirac e Jordan dell equivalenza dei due approcci: si può parlare di meccanica quantistica

25 Conseguenze della meccanica quantistica: 1) principio di indeterminazione di Heisenberg Esistono coppie di grandezze (per esempio velocità v e posizione x, o energia E e tempo t, ) che non possono essere misurate simultaneamente con una precisione qualsiasi. Le loro incertezze sono legate dalla seguente formula: In altre parole: x v possiamo determinare con precisione sempre maggiore la posizione ma avremo un incertezza sempre più alta nella determinazione della velocità, e viceversa. h m

26 2) Concezione intrinsecamente probabilistica della meccanica quantistica Le probabilità quantistiche sono non epistemiche, cioè non sono attribuibili ad ignoranza o a mancanza di informazione del sistema, che se disponibili renderebbero certe le asserzioni probabilistiche Einstein, come altri, non accetterà mai tale risultato, come espresse nella sua celebre frase: Dio non gioca a dadi

27 3) Dualismo onda-corpuscolo Ogni particella presenta una natura sia corpuscolare che ondulatoria. Tale dualismo è evidente per le particelle di massa piccola, ed è stato verificato sperimentalmente, fin dagli inizi della meccanica quantistica, con esperimenti simili a quello di Young, dove si sono usati i reticoli cristallini come fenditure.

28 Esperimenti di Davisson e Germer (1927) Esperimenti di G. P. Thomson (1930)

29 Perché la meccanica quantistica è l inizio della fisica moderna? La relatività stravolge e rinnova i concetti di spazio e tempo, ma è deterministica; in questo senso si può ritenere il risultato massimo di fisica classica. La meccanica quantistica è essenzialmente probabilistica, cioè non deterministica.

30 La meccanica quantistica è il primo esempio di teoria che nasce da un lavoro di gruppo. Anche altre teorie del passato erano il frutto di più soggetti; questi però avevano solitamente operato in maniera indipendente. La meccanica quantistica, e nella prassi attuale tutta la fisica contemporanea, è il risultato di un lavoro di equipe.

31 Perché i fenomeni quantistici sono così poco evidenti? Perché la costante di Planck è così piccola che le lunghezze d onda degli oggetti materiali sono apprezzabili solo per masse molto piccole, a livello atomico. Se la costante di Planck avesse valori molto più grandi, avremmo figure di interferenza anche per oggetti di grande massa, e gli effetti quantistici sarebbero evidenti. Discorso simile si avrebbe per la relatività se la velocità della luce avesse un valore molto più basso.

32 1927 Consiglio Solvay