Introduzione Sperimentale ad alcuni concetti di Fisica Moderna. L. Martina Dipartimento di Fisica - Università di Lecce e Sezione INFN - Lecce

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Nicolo Natale
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1 Introduzione Sperimentale ad alcuni concetti di Fisica Moderna L. Martina Dipartimento di Fisica - Università di Lecce e Sezione INFN - Lecce

2 " The best experiments are simple and on a large scale, and their workings are obvious to the audience. The worst experiment is one in which something happens inside a box, and the audience is told that if a pointer moves, the lecturer has very cleverly produced a marvelous effect. Audiences love simple experiments and, strangely enough, it is often the advanced scientist who is most delighted by them." Michael Faraday

3 Robert P Crease Top 10 beautiful experiments Physics World 2002 clarity, simplicity and depth in a way that transforms our perspective of it. 1 Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons 2 Galileo's experiment on falling bodies (1600s) 3 Millikan's oil-drop experiment (1910s) 4 Newton's decomposition of sunlight with a prism ( ) 5 Young's light-interference experiment (1801) 6 Cavendish's torsion-bar experiment (1798) 7 Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference (3rd BC) 8 Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes (1600s) 9 Rutherford's discovery of the nucleus (1911) 10 Foucault's pendulum (1851) Others experiments that were cited included: Archimedes' experiment on hydrostatics Roemer's observations of the speed of light Joule's paddle-wheel heat experiments Reynolds's pipe flow experiment Mach & Salcher's acoustic shock wave Michelson-Morley measurement of the null effect of the ether Röntgen's detection of Maxwell's displacement current Oersted's discovery of electromagnetism The Braggs' X-ray diffraction of salt crystals Eddington's measurement of the bending of starlight Stern-Gerlach demonstration of space quantization Schrödinger's cat thought experiment Trinity test of nuclear chain reaction Wu et al.'s measurement of parity violation Goldhaber's study of neutrino helicity Feynman dipping an O-ring in water

4 Gli Esperimenti a Scuola -Entrare in contatto con un fenomeno, -verificare ipotesi e leggi, -costruire modelli o validarli, - verificare i limiti di applicabilità della teoria -capire come funzionano i dispositivi tecnologici, - intervenire per modificare e far funzionare le macchine, - acquisire tecniche sperimentali (usare strumenti e metodi) - indagare e scoprire proprietà, leggi, relazioni, ecc.

5 Moto Browniano e Numero di Avogadro 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. I u = I 0 e 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 τ γ r S. Casadio, M.G. Iannello, La Fisica nella Scuola, XXX1, 4 (1998), 200 η 3 λ n

6 In questo articolo dovremo mostrare che,., particelle di dimensioni visibili al microscopio sospese in unfluido, in seguito al moto molecolare del calore possono descrivere moti osservabili. A. Einstein, Ann. d. Phys., 17 (1905) /dww/home/hombrown.htm D = RT N A 1 6πη d

7 Micro-Macro I concetti Quantistici non possono essere costruiti sulla sola osservazione e interpretazione dei fenomeni e delle evidenze sperimentali dirette Il mondo esterno è necessariamente classico, L esigenza di 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!

8 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

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

9 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, October 1897 ) e m = B (15) x Ckg -1

10 La carica dell elettrone evb = mv r 2 tubo di Wehnelt bobine di Helmholtz, alimentatori, voltimetri, amperometro cavetti di collegamento

11 L esperienza di Millikan e = (14) x C F visc = 6π rην PSSC: FISICA,2, Cap. 28-4

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 incidente Il potenziale di arresto è proporzionale alla frequenza della luce incidente

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;

Id = 10 ma Tipo LED λ nominale (nm) V diodo ± V diodo (V) Infrarosso 940 1.185 ± 0.010 Rosso 660 1.746 ± 0.005 Arancio 600 1.883 ± 0.008 Giallo 590 1.985 ± 0.011 Verde 565 2.044 ± 0.005 Blù 470 2.

16 Id = 10 ma Tipo LED λ nominale (nm) V diodo ± V diodo (V) Infrarosso ± Rosso ± Arancio ± Giallo ± Verde ± Blù ± Tipo LED R s ± R s (Ω) V d ± V d (V) Infrarosso 1.5 ± ± Rosso 4.7 ± ± Arancio 5.1 ± ± Giallo 9.4 ± ± Verde 14.4 ± ± Caratteristica diretta di un LED blù Blù 21.0 ± ± 0.030

17 λ/λmax» 3/2 kt / Eg 3/2 kt / Eg ~.040/1.0 = 4% reticolo di diffrazione in riflessione 1200 linee/mm, λ = 2 a cosy senr

18 Tipo LED λ max (nm) λ/2 (nm) f (x10 14 Hz) f/2 (x10 14 Hz) Infrarosso Rosso Arancio Giallo Verde Blù

19 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.

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.

20 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)

21 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

22 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!?!

23 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

24 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

25 Diffrazione di singolo fotone

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

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