Fisica Moderna e contemporanea SSIS Puglia Prof. Luigi Schiavulli luigi.schiavulli@ba.infn.it Dipartimento Interateneo di Fisica Michelangelo Merlin 02/02/2006 1
Sommario Quadro riassuntivo sulla Fisica Classica Radiazione di corpo nero Ipotesi di Planck Effetto fotoelettrico Struttura dell atomo Struttura dei solidi Proprietà dei Nuclei Energia dal nucleo 02/02/2006 2
Particelle e Campi Meccanica Leggi di Newton Fisica Classica Campo elettromagnetico Leggi di Maxwell 02/02/2006 3
Fisica Classica INTERAZIONI FONDAMENTALI Gravitazione Elettromagnetismo Forza di Lorentz F = G Equazioni di Maxwell M m 1 2 ˆr 2 12 12 r F = q0 ( E + v B) 02/02/2006 4
Fisica Classica Sistemi di particelle Termodinamica Principio dell equilibrio termico Principi della Termodinamica Meccanica Statistica Teorema dell equipartizione dell energia 1 k= 1.3805 x 10-23 J K E -1 Cgl = 2 kt 02/02/2006 5
Radiazione di Corpo Nero Corpo nero Legge di spostamento di Wien λt = b b = 2.8978 x 10-3 m K Legge di Stefan Boltzmann: Energia emessa da un corpo nero per unità di area e di tempo E = σ T 4 σ = 5.6693 x 10-8 W m -2 K -4 Costante di Stefan Boltzmann 02/02/2006 6
Radiazione da corpo nero Ipotesi di Planck Ogni oscillatore può assorbire o emettere radiazione solo in quantità proporzionali alla sua frequenza E = n h ν n = 1, 2, 3 h = 6.6256 x 10-34 J s Espressione di Planck per la densità di energia emessa da un corpo nero 8πh E( ν ) = c 3 ν 3 e hν kt 1 1 02/02/2006 7
Applicazioni Misure di Temperatura di oggetti molto caldi Misura di temperatura di oggetti molto lontani Misura di temperatura della fotosfera di una stella 02/02/2006 8
Effetto Fotoelettrico Scoperto da Hertz nel 1887 Spiegato da Einstein nel 1905 Hertz osservò, studiando la scarica elettrica fra due elettrodi, che l intensità della corrente aumentava se si illuminavano gli elettrodi con luce u.v. Successivamente Hallwachs osservò una emissione di elettroni se si illuminava la superficie di metalli come zinco, rubidio potassio e sodio con luce di λ opportuna Fotoelettroni Termoelettroni Inspiegabile secondo l elettromagnetismo 02/02/2006 9
Φ potenziale di fuga E k = E- Φ Fotoni o quanti di luce E = h ν E k = h ν Φ E k,max = h ν Φ 0 ν 0 = Φ 0 /h ev 0 = h ν Φ 0 Effetto Fotoelettrico 02/02/2006 10
tg α = h/e e carica elettrica dell elettrone Effetto Fotoelettrico Si può ottenere Sperimentalmente la costante di Planck 02/02/2006 11
Celle fotoelettriche E' un dispositivo elettronico, detto anche fotocellula, basato sull'effetto fotoelettrico per la rilevazione della luce e della sua intensità. Quando il catodo K, carico negativamente, viene illuminato dalla radiazione lumonosa L, emette elettroni, che sono attratti dall'anodo A, carico positivamente. La prima cellula fotoelettrica fu costruita da Elster e Geitel nel 1910 02/02/2006 12
Effetto Compton Einstein associa al fotone anche una quantità di moto hν p = = c h λ Urto fotone elettrone Effetto Compton 02/02/2006 13
Dualismo onda corpuscolo Onde elettromagnetiche Particelle Le onde elettromagnetiche assumono proprietà tipiche di una particella Ipotesi di de Broglie Gli elettroni debbono presentare anche un aspetto ondulatorio Ad ogni elettrone, in quanto particella, è associata una posizione ed una quantità di moto Ad ogni elettrone, in quanto onda, è associata una lunghezza d onda ed una frequenza p = mv = h λ 02/02/2006 14
Onda di materia A qualsiasi particella è associata una lunghezza d onda Come mai non ci rendiamo conto delle proprietà ondulatorie dei corpi? λ = h = p h mv La materia deve presentare proprietà tipiche delle onde: interferenza e diffrazione 02/02/2006 15
Diffrazione di elettroni 02/02/2006 16
Interferenza di elettroni 02/02/2006 17
Pacchetti d onda 02/02/2006 18
Principio d indeterminazione di Heisenberg E impossibile conoscere simultaneamente e con grande precisione sia la posizione che la quantità di moto di una particella V f = λν E = hν p = h λ x p 02/02/2006 19
Principio di Indeterminazione Misurare la posizione con precisione Occorre usare luce di piccola lunghezza d onda E, quindi, grande energia Si disturba fortemente la particella da osservare Nessuna informazione sulla sua velocità Il concetto di traiettoria diventa privo di senso 02/02/2006 20
Esperimento di Franck ed Hertz Evidenza di livelli discreti di energia negli atomi 02/02/2006 21
Meccanica Quantistica Inadeguatezza della meccanica classica nel descrivere oggetti delle dimensioni atomiche Dualismo onda corpuscolo Equazione di Scrodinger 2 2m d ψ ( x) 2 dx 2 ( x) ψ ( x) Interpretazione della funzione d onda + E p = Eψ ( x) ψ (x) 2 02/02/2006 22
Funzione d onda 02/02/2006 23
Funzione d onda 02/02/2006 24
Buche di potenziale 02/02/2006 25
Buche di potenziale 02/02/2006 26
Buche quantiche Emissione a righe degli atomi atomo con righe di emissione progettate 02/02/2006 27
Effetto Tunnel APPLICAZIONI: Diodi ad effetto tunnel Microscopio ad effetto tunnel 02/02/2006 28
Microscopio a scansione a effetto tunnel 02/02/2006 29
Esperimento di Stern e Gerlach Ipotesi della quantizzazione spaziale Prevista teoricamente da Pauli Verificata sperimentalmente da Stern e Gerlach nel 1922 Elettomagnete disattivato: si rivela una striscia continua Elettromagnete attivato. Si rivela una banda larga continua se non ci fosse quantizzazione spaziale In realtà si rivelano due sottofasci 02/02/2006 30