Introduzione ad alcuni concetti di Fisica Moderna

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1 Lecce, 7/11/2008 Introduzione ad alcuni concetti di Fisica Moderna L. Martina Dipartimento di Fisica - Università del Salento e Sezione INFN - Lecce

2 La Natura è il Mondo dei Quanti Perché malleabile e conduttore? Perché isolante e trasparente? Come si trasforma la luce in forza vitale? Come funziona?

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 esterno 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 mod /dww/home/hombrown.htm 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 N A = Numero di Avogadro d = raggio della particella η = coeff. di viscosita D = RT 1 Coefficiente di diffusione N A 6πη d

5 Moto Browniano e Blu del Cielo 0.1 µm 0.6 µm 1.2 µm r p sorgente r α E 2 α 2λ = ( 2 I 0 1+ cos θ ) 2 4 I 0 = r I rivelatore I u Acqua dist. u = I 0 J. Perrin: Les Atomes, (Paris, 1914) I I b I b = I e h x 32π ( µ 1) = I 0 e h = 4 ( a+ h) x λ= 520 nm, a= cm -1, h= cm -1 λ= 650 nm, a= cm -1, h= cm -1 ξ e τ γ n r 3 λ n

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." B (J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London Phil. Mag. J. Science, V, Oct.1897 ) e m = (15) x Ckg -1

7 Misuriamo e/m evb = mv r 2 tubo di Wehnelt bobine di Helmholtz, alimentatori, voltimetri, amperometro cavetti di collegamento

8 L esperienza di Millikan e = (14) x C F visc = 6π rην 4 3 πr ρ g = 6π rη v 3 Q = 18π d U 3 3 η v 2ρ g Quantizzazione della carica!!!

9 x C Standard uncertainty x C Relative standard uncertainty 2.5 x 10-8

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

11 Formula di Balmer Modell Atomico di Bohr

12 L effetto Fotoelettrico Hertz, 1887 Quarzo SI Gesso SI Vetro Ridotta Legno Nulla Lenard

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

14 E = w + ev r. E = hν Einstein Planck

15 Misura della costante di Planck hν = ev diodo + cost λ(µm) hc/e g 1.24/E g (ev) 850 > λ > 550 nm ev d = hν + Q V d : d.d.p. effettivamente applicata alla giunzione pn Q: calore, altre transizioni non luminose V d = V diodo -R s I d I LED1 = I LED1 --- Q(I LED1 ) = Q(I LED2 ) ν = (e/h ) V d + cost GaAs 1-x P x 1.43 ev per x= ev per x=1;

16 e/h = s-1v-1. e/h = 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 ( ) = ν ε ε ( ν ) ν 2 T E E ass inc = 1 P emiss = f ( T ) L.Wien λ maxt = σ SB 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) E = hν ε ( ν ) e hν hν k T B 3 1

18 Fotoni! Elettromagnetismo Classico p = E c E = h, p = ν Einstein (1905) h λ Relazioni Planck - Einstein E 2 p m fotone 2 c 2 = 0 = m 2 0 c 4 Invariante Relativistico e la DIFFRAZIONE!?!

19 Effetto Compton λ λ = h m el c ( 1 cos θ ) (1923) Cons. dell energia Cons. Quantità di moto p X h h =, p' X =, λ λ ' E = E' + K v r p = p '+ X p el X = γm el v r p e

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

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 = m 2 kg / s determina la granularità intrinseca della natura, Relazioni di Planck Einstein de Broglie proporzionalità fra grandezze descrittive di un oggetto quantistico. Grandezze corpuscolari. Grandezze ondulatorie Complementarietà onda-corpuscolo * Altre scale: c = m s -1 Relatività

24 Applicazioni

25 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)