Fisica quantistica. Liceo Malpighi, a.s. 2016/17

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1 Fisica quantistica Liceo Malpighi, a.s. 2016/17

2 DALLA FISICA CLASSICA ALLA FISICA MODERNA (lungo periodo di transizione a cavallo fra 800 e 900)

3 MECCANICA E ASTRONOMIA NEL XIX SEC. Previsione di Nettuno (LeVerrier, 1846) come spiegazione delle perturbazioni del moto di Urano e sua successiva scoperta (Galle, 1846) Miglioramento della precisione nei calcoli approssimati e completo accordo della teoria con i dati osservati sul moto della Luna e sulla precessione degli equinozi (Newcomb, 1898) Scoperta degli asteroidi (Piazzi, 1801) Misura delle distanze stellari (Bessel, 1838) con il metodo della parallasse: 61 Cygni si trova a 10.3 anni luce

4 ASTROFISICA NEL XIX SEC. Primo studio spettroscopico delle stelle (Secchi, 1863), con l introduzione della classificazione in base al colore e alle righe di assorbimento (spettroscopio inventato da Fraunhofer nel 1814)

5 TERMODINAMICA NEL XIX SEC. Studio delle macchine termiche (Carnot, 1824) Nascita del concetto di energia e primo principio della termodinamica (Joule, Helmholtz, 1857) Secondo principio della termodinamica (Kelvin, Clausius, 1850) Modello cinetico dei gas (Clausius, 1857) Legge di distribuzione delle velocità in un gas (Maxwell, 1859 e Boltzmann, 1871): nasce la meccanica statistica Teorema di equipartizione dell energia (Maxwell, 1859 e Boltzmann, 1876) e calcolo dei calori specifici nei gas, che però a volte non funziona

6 OTTICA NEL XIX SEC. Scoperta della radiazione infrarossa (Herschel, 1800) e ultravioletta (Ritter, 1801) con prismi e termometro a mercurio o cloruro d argento Misure di precisione della velocità della luce (Fizeau, 1849; Michelson, 1879) La luce è un onda elettromagnetica (Maxwell, 1873)

7 ELETTROMAGNETISMO NEL XIX SEC. Invenzione della pila (Volta, 1800) Una corrente elettrica genera un campo magnetico (Ørsted, 1829) Legge dell induzione elettromagnetica (Faraday, 1831) e applicazioni: dinamo (Pacinotti, 1859) il motore elettrico sostituisce il motore a vapore trasformatore (Faraday, 1831 e Tesla, 1885) distribuzione dell energia elettrica Previsione delle onde elettromagnetiche (Maxwell, 1873) e loro scoperta (Hertz, 1888)

8 STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC. Teoria atomica (Dalton, 1805) e distinzione fra atomi e molecole: legge di Avogadro (1811) Studio dell elettrolisi (Faraday, 1834) e sua spiegazione in termini di dissociazione elettrolitica (Arrhenius, 1880) Scoperta dei raggi catodici (Crookes, 1870), generati da alte differenze di potenziale in tubi a vuoto

9 STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC. I raggi catodici sono particelle negative, 2000 volte più leggere dell atomo di idrogeno (Thomson, 1896); si ipotizza che uno ione sia un atomo che ha perso o acquistato un elettrone Scoperta dei raggi X (Röntgen, 1895); viene poi scoperto che i raggi X sono radiazione di frenamento degli elettroni

10 L ESPERIMENTO DI THOMSON (1896) Misura di q/m per l elettrone - premio Nobel 1906

11 L ESPERIMENTO DI MILLIKAN (1909) Misura di q per l elettrone - premio Nobel ) calcolo del raggio (e quindi della massa) della goccia con campo elettrico spento, da misure di velocità: Fattr + FArch = P 6πrηv + 4πr 3 /3 gdaria = 4πr 3 /3 gdolio 2) calcolo della carica della goccia con campo elettrico acceso: se la goccia è sospesa, FE + FArch = P

12 STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC. I metalli emettono elettroni quando sono colpiti da luce (Hertz, 1887 e Lenard, 1900) PROBLEMA: le leggi sperimentali dell effetto fotoelettrico non erano spiegabili sulla base della fisica conosciuta!

13 STRUTTURA DELLA MATERIA NEL XIX SEC. Scoperta della radioattività naturale (Becquerel, 1896): raggi alfa, poco penetranti, di carica positiva raggi beta, mediamente penetranti, di carica negativa raggi gamma, molto penetranti, privi di carica L atomo non è indivisibile modello atomico di Thomson (1904)

14 ALCUNI PROBLEMI APERTI Effetto fotoelettrico Einstein introduce l'idea dei quanti di radiazione, i fotoni (1905) Esistenza dell etere Einstein nega l etere e nasce la relatività (1905) Dipendenza dalla temperatura dei calori specifici di gas e solidi Einstein e Debye (1912) risolvono il problema partendo dalla quantizzazione dell energia proposta da Planck (1900) Esistenza e struttura degli atomi e dei loro spettri Perrin conferma (1909) la teoria di Einstein del moto browniano (1905) Rutherford dimostra la struttura planetaria dell atomo (1909) Natura della radioattività Rutherford identifica i raggi alfa come nuclei di He (1909) Precessione del perielio di Mercurio Einstein introduce una nuova teoria della gravitazione, la relatività generale (1915)

15 L ESPERIMENTO DI RUTHEFORD-GEIGER-MARSDEN

16 ALTRI PROBLEMI Il modello atomico di Rutherford, pur spiegando correttamente il suo esperimento, fa sorgere nuovi problemi a livello teorico: secondo le leggi dell elettromagnetismo di Maxwell, una carica accelerata emette onde elettromagnetiche, quindi gli elettroni attorno al nucleo dovrebbero rapidamente perdere energia e collassare su di esso perché tutti gli atomi di un dato elemento sono uguali fra loro? lo spettro dell idrogeno non è spiegabile in termini del modello

17 La soluzione arriverà anni dopo, con la nuova meccanica, detta quantistica. Richiederà una rivoluzione nel modo di pensare la meccanica (moto, posizione, traiettoria) e l'elettromagnetismo (onde, campi, energia). Nasce così una nuova fisica, che tuttavia non cancella la fisica classica: questa resta valida entro un certo campo di applicazione (che corrisponde all incirca a quello macroscopico). Un altra rivoluzione era stata prodotta dalla relatività: - unificazione di spazio e tempo nello spaziotempo - inerzia dell energia - riduzione della gravità a curvatura dello spazio tempo, - universo in espansione