La Crisi della Fisica Classica

Documenti analoghi
Unità Didattica 1. La radiazione di Corpo Nero

S P E T T R O S C O P I A. Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

Distribuzione di carica piana ed uniforme... 32

al top dell atmosfera al livello del mare

L equilibrio dei gas. Lo stato di equilibrio di una data massa di gas è caratterizzato da un volume, una pressione e una temperatura

May 5, Fisica Quantistica. Monica Sambo. Sommario

Il Metodo Scientifico

Richiami. Esercizio 1.1. La radiazione elettromagnetica del corpo nero ha la seguente densità di energia per unità di frequenza

Unità di misura di lunghezza usate in astronomia

GAS IDEALI E MACCHINE TERMICHE. G. Pugliese 1

Climatizzazione - riscaldamento e raffrescamento

KEY WORDS LA LUCE. Zumtobel. Dario Bettiol Settembre LANGEN FOUNDATION, NEUSS DE ARCHITETTURA: TADAO ANDO JP RENDIMENTO COSTI DI ESERCIZIO

Radiazione atmosferica

La Teoria dei Quanti e la Struttura Elettronica degli Atomi. Capitolo 7

INDAGINI SPETTROGRAFICHE ANTIFALSIFICAZIONI. Spettrografia all infrarosso

La Fisica Quasi Moderna La Meccanica Quantistica Classica. Particelle a velocità Molto inferiore alla luce

Trasmissione del calore: Irraggiamento - II parte

EQUAZIONI CON VALORE ASSOLUTO DISEQUAZIONI CON VALORE ASSOLUTO

Dalla radiazione elettromagnetica alle celle fotovoltaiche TECHNOTOU R

TRASMISSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO

Università degli Studi di Pavia Facoltà di Medicina e Chirurgia

FISICA. isoterma T f. T c. Considera il ciclo di Stirling, in cui il fluido (=sistema) è considerato un gas ideale.

Dipartimento Scientifico-Tecnologico

Esercitazioni di statistica

ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE J.C. MAXWELL Data: 09/09 /2013 Pag. _1_ di _5 PROGRAMMAZIONE ANNUALE A.S. 2013_ / 2014_

Formulario di Meccanica Statistica

4 FORZE FONDAMENTALI

SPETTROFOTOMETRIA UV/VIS

LUCE E OSSERVAZIONE DEL COSMO

Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici CAPITOLO 5 TERMODINAMICA

Effetto fotoelettrico

Quadro riassuntivo di geometria analitica

Le barriere a lama d acqua. Fabio Alaimo Ponziani. Alberto Tinaburri

Esercizi sulle affinità - aprile 2009

Il lavoro e l energia

Onde sonore stazionarie in un tubo risonante

descrivere le caratteristiche della sfera utilizzare le formule inerenti. Introduzione

ESAME DI STATO DI LICEO SCIENTIFICO MAXISPERIMENTAZIONE SCIENTIFICA PROG. BROCCA TEMA DI FISICA ANNO 2012 Svolgimento a cura di Massimo Macchioro

LA LEGGE DI COULOMB PER I MAGNETI

Insegnare relatività. nel XXI secolo

Torino 20 marzo 2013 Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia

Campo magnetico e forza di Lorentz (I)

valore di a: verso l alto (ordinate crescenti) se a>0, verso il basso (ordinate decrescenti) se a<0;

INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

Da Newton a Planck. La struttura dell atomo. Da Newton a Planck. Da Newton a Planck. Meccanica classica (Newton): insieme

L energia e le sue proprietà

Si dice parabola il luogo geometrico dei punti del piano, equidistanti da un punto fisso, detto fuoco, e da una retta fissa, detta direttrice.

RADIAZIONE SOLARE. Università di Bologna

Metodo alternativo per il calcolo delle divisioni.

La Risonanza Magnetica Funzionale

Esperimento sull ottica

EMISSIONE E ASSORBIMENTO DI LUCE DA PARTE DELLA MATERIA

Capitolo 11 Test chi-quadro

Recenti Scoperte Scientifiche in Ottica

Relatività Ristretta e Meccanica Quantistica: alcuni esperimenti cruciali. Lezione 1. Genova, 12,13,19,20 Gennaio 2016

ARROTONDANDO FIGURE CON TRIANGOLI EQUILATERI

Soluzione dei sistemi lineari con metodo grafico classe 2H

Grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà dello spazio dovute alla presenza in esso di una o più cariche elettriche.

ITCS Erasmo da Rotterdam. Anno Scolastico 2014/2015. CLASSE 4^ M Costruzioni, ambiente e territorio

LA NATURA DELLA LUCE E IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

Esercitazione # 3. Trovate la probabilita che in 5 lanci di un dado non truccato il 3 si presenti

PRESSIONE SONORA. p 2 p

Esistono due tipologie tipo di frattura: duttile e fragile. Nel vetro si parla di frattura fragile (che avviene per propagazione veloce e instabile

Crisi della fisica classica

FERRARI LUCI MARIANI PELISSETTO FISICA ELETTROMAGNETISMO E OTTICA IDELSON-GNOCCHI

Corso di Fisica moderna di base. Lezione 2 Lo studio della radiazione di corpo nero

Metodi per la risoluzione di sistemi lineari

APPUNTI DI TECNOLOGIA. ENERGIA NUCLEARE Fissione nucleare Fusione nucleare Centrali nucleari Vantaggi - Svantaggi Produzione

Ottica geometrica. Propagazione per raggi luminosi (pennello di luce molto sottile)

ESPERIENZE CON GLI SPECCHI PIANI

ESAME DI STATO DI LICEO SCIENTIFICO 2008 Corso Sperimentale Progetto Brocca Tema di Fisica

Sistemi Web per il turismo - lezione 3 -

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

LA CHIMICA. primo biennio. secondaria 2 grado

Riassunto fisica. Introduzione: La seconda legge di Newton =m a

Le forze. Cos è una forza? in quiete. in moto

Trasformatore monofase

Fisica e sistemi complessi

Risoluzione di problemi ingegneristici con Excel

4) 8 g di idrogeno reagiscono esattamente con 64 g di ossigeno secondo la seguente reazione:

FISICA. Serie 11: Dinamica del punto materiale V. Esercizio 1 Legge di Hooke. Esercizio 2 Legge di Hooke. I liceo

Indice. - Premessa. - Indagine termografica. - Documentazione Fotografica e IR

1 Giochi d ombra [Punti 10] 2 Riscaldatore elettrico [Punti 10] AIF Olimpiadi di Fisica 2015 Gara di 2 Livello 13 Febbraio 2015

Determinazione di parametri cinetici di una reazione di dissociazione mediante spettroscopia UV-visibile

Liceo scientifico "Don Bosco"- Brescia Curricolo verticale di Fisica - a.s. 2015/2016 Primo biennio Obiettivi apprendimento

TEORIA QUANTISTICA E STRUTTURA ATOMICA

La parola elettricità deriva da elektron, termine che gli antichi greci chiamavano una resina naturale,l ambra,dalla quale se strofinata con un

Classe IV specializzazione elettronica. Elettrotecnica ed elettronica

REGOLE DELLA RISONANZA

L analisi della luce degli astri: fotometria e spettrometria

Bohr e la struttura dell atomo. Lezioni 11-12

IL LASER. Principio di funzionamento.

L unità di misura della dose nel S.I. è il Gray

Fenomeni magnetici fondamentali

condizionamento usando la radiazione solare

Lavoro della 2 E a.s. 2011/12

Uno spazio per lo spazio.

Esercizi sulla conversione tra unità di misura

Trasmissione termica

La Terra nello spazio

Transcript:

La Crisi della Fisica Classica F. Borgonovi (Dipartimento di Matematica e Fisica) Interdisciplinary Laboratories for Advanced Materials Physics (i-lamp) Department of Mathematics and Physics, Catholic University, Brescia, ITALY Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Pavia, ITALY 5 Marzo 2014

Esperimenti chiave All inizio del secolo scorso la fisica aveva ottenuto importanti successi in moltissimi campi e raggruppabili in 3 grandi Tomi: La Meccanica (Galileo, Newton, Lagrange, Hamilton, Laplace...) La Termodinamica (Kelvin, Clausius...), L Elettromagnetismo (Maxwell, Ampere, Faraday...). Restavano alcuni punti oscuri dal punto di vista interpretativo, nel senso che esistevano degli esperimenti ai quali l apparato della Fisica Classica, esemplificato dai 3 Tomi di cui sopra, anche combinati insieme tra loro, non riusciva a dare risposte soddisfacenti. Questi sono: Lo spettro di corpo nero L effetto fotoelettrico Gli spettri a righe atomici

Radiazione di corpo nero Premesse: Ogni corpo ad un certa temperatura T emette energia sotto forma di irraggiamento. Se emette tanta energia significa che ne ha assorbita tanta e viceversa : i corpi che sono buoni emettitori sono anche buoni assorbitori. L irraggiamento é una forma di radiazione elettromagnetica caratterizzata in generale da diverse frequenze (o lunghezze d onda). Sperimentalmente notiamo che un corpo cambia colore man mano che lo si scalda, ovvero la frequenza della radiazione emessa cambia con la temperatura del corpo (es. un metallo passa da rosso, arancione, giallo, bianco).

Quali sono le caratteristiche della radiazione emessa? Possiamo fornire una descrizione modellistica del fenomeno utilizzando la fisica classica?

Come si costruisce un modello? Problemi : Le caratteristiche del fenomeno sembrano dipendere da troppi parametri : oltre che alla temperatura, forma del corpo, dimensione, tipo di materiale, tipo di superficie. Le equazioni della fisica da utilizzare sembrano davvero tante : la termodinamica (il corpo ha una certa temperatura), l elettromagnetismo (il corpo emette radiazione elettromagnetica), l interazione della radiazione con la materia (il corpo, costituito da atomi, é investito dalla radiazione elettromagnetica che poi riemette) Come ci si salva?

Kirchhoff (1860) Nessun materiale assorbe tutta la radiazione che incide su di esso (parte viene riflessa). E peró possibile definire per ogni corpo una capacitá di emettere (potere emissivo e) ed una capacita di assorbire (potere assorbente a) entrambi rappresentanti energia per unitá di superficie, frequenza ed angolo solido). Kirchhoff trova che Per ogni sostanza il comportamento rispetto all emissione e all assorbimento, a paritá di temperatura, é il medesimo ovvero che il rapporto e a = f (ν, T ) é una funzione universale che dipende SOLO dalla frequenza, ν, e dalla temperatura, T, del corpo.

Definizione di Corpo Nero Kirchhoff mostró poi, con considerazioni termodinamiche, che, all equilibrio termico, la radiazione contenuta in una cavitá é della stessa qualitá ed intensitá di quella di un corpo nero alla stessa temperatura. Queste considerazioni permettono di definire delle situazioni ideali. CORPO NERO = Un corpo che assorbe tutta la radiazione che riceve, (ovvero a=1), cosi che ció che emette e che posso misurare sperimentalmente risulta essere solo una funzione universale della frequenza, ν, e dalla temperatura, T.

Oltre a definirlo, riesco a realizzarlo in laboratorio? Un corpo nero é un contenitore in cui sia stato fatto un piccolo foro. Infatti, la radiazione entrante viene completamente assorbita; d altra parte, la radiazione uscente da un piccolissimo foro, non altera apprezzabilmente le condizioni di equilibrio della cavitá. Il fascio di radiazione uscente é quindi un campione della radiazione presente all interno della cavitá. La prima cavitá costruita ed utilizzata a questo scopo fu quella di Lummer e Wien (1895).

Il Modello della Cavitá

Risultati Sperimentali Abbiamo il modello, adesso possiamo fare le misure sperimentali e ricavare le curve che esprimono la dipendenza della energia emessa dal piccolo foro della cavitá in funzione della frequenza e della temperatura del corpo. Legge di Wien : λ max T = costante = 2.8977686 10 3 mk Legge di Stefan-Boltzmann. La potenza emessa per unitá di superficie, sommata su tutte le frequenze (ovvero la radianza) é proporzionale alla quarta potenza della temperatura: R = σt 4 dove σ = 5.6693 10 8 W m 2 K 4 é la costante di Stefan-Boltzmann.

La Legge di Wien

Quali sono i modelli interpretativi offerti dalla fisica classica sul meccanismo di assorbimento ed emissione della radiazione elettromagnetica? Il corpo nero, ovvero la cavitá é un oggetto all equilibrio termodinamico, ovvero la materia che assorbe ed emette la radiazione é in equilibrio con la stessa. All interno della cavitá é presente radiazione elettromagnetica. All equilibrio saranno presenti solo le onde STAZIONARIE. Gli atomi delle pareti assorbono ed emettono radiazione (come oscillatori armonici investiti da onde) finché tutto va all equilibrio.

Onde Stazionarie

Ipotesi di Wien Ma come si calcola la densitá di energia elettromagnetica all equilibrio all interno della cavitá? Vi furono diverse ipotesi: Wien, suppose che: che le molecole di un solido che emette radiazione soddisfano la legge di distribuzione delle velocitá di Maxwell- Boltzmann, che la frequenza e l intensitá della radiazione emessa dalle molecole dipendesse solo dalla loro velocitá e che il quadrato della velocitá delle molecole dipendesse solo dalla frequenza emessa.??????? ed ottenne la seguente legge u(ν, T ) = aν 3 e bν/t Ipotesi fallaci (o forse premature per i tempi) e risultati che sono in disaccordo con gli esperimenti per piccole frequenze.

Modello di Rayleigh-Jeans Rayleigh e Jeans proposero il seguente meccanismo basato sulle onde stazionarie elettromagnetiche all interno della cavitá. In una dimensione si ricava che la lunghezza della scatola L deve essere multiplo intero (n) di semi lunghezze d onda L = nλ/2 Ovvero c e un numero discreto di frequenze ammesse. Ma quante sono le frequenze ammesse all interno di un cubo di lato L?. E possibile calcolare in modo esplicito questo numero e si trova che il numero di possibili oscillazioni per unitá di frequenza e per unitá di volume della cavitá é proporzionale al quadrato della frequenza della radiazione, ovvero (c= vel. luce) : ρ(ν) = 8πν2 c 3

Modello di Rayleigh-Jeans Ma quanto vale l energia associata ad una singola oscillazione? Sicuramente non puó dipendere dalla frequenza visto che la densitá di energia associata ad un onda elettromagnetica dipende dal quadrato della sua intensitá e non dalla sua frequenza. Quindi quello che si ottiene é una curva che cresce in modo indefinito con la frequenza : Catastrofe Ultravioletta.

La Teoria di Planck Planck consideró un modello per la cavitá costituito da oscillatori armonici elettricamente carichi in grado di scambiare energia con la radiazione alla loro frequenza propria di oscillazione. L idea era che si potesse arrivare ad una condizione di equilibrio termico tra radiazione ed oscillatori partendo da generiche condizioni iniziali, ovvero descrivere un processo irreversibile attraverso le leggi dell elettromagnetismo. Ma le leggi dell elettromagnetismo soffrono dello stesso difetto di quelle della meccanica classica : non possono descrivere, in assenza di altre condizioni, un processo irreversibile (Boltzmann). Planck utilizzó il principio secondo cui, all equilibrio termico, l entropia del sistema radiazione+oscillatori sia massima, e arrivó a scrivere la formula seguente: u(ν, T ) = 8πν2 c 3 u

La Teoria di Planck dove u é l energia vibrazionale media di ogni oscillatore. A questo punto se facciamo entrare la teoria cinetica dei gas, la quale afferma che l energia media associata ad ogni grado di libertá é k B T /2, riotteniamo la legge di Rayleigh-Jeans. Il punto di rottura fondamentale introdotto da Planck fu di assumere che L interazione oscillatore - radiazione é descritto interamente dalle equazioni di Maxwell; lo scambio di energia tra oscillatori e particelle puó avvenire solo in modo discreto attraverso quanti di energia multipli interi di hν (h = 6.62 10 34 J s, detta costante di Planck ).

La Teoria di Planck In questo modo si arriva alla seguente Legge di Planck per l emissione di corpo nero : u(ν, T ) = 8πν2 c 3 hν e hν/kt 1 Anche se Planck, a differenza di Einstein non ipotizzó la quantizzazione del campo elettromagnetico all interno della cavitá, l ipotesi che scambi energetici radiazione-materia potessero avvenire solo in modo discreto fu davvero rivoluzionaria. h che nelle ipotesi di Planck avrebbe dovuta essere fatta tendere a zero, ha un valore ben definito e riproduce i risultati sperimentali. Per Planck dunque gli scambi di energia radiazione-materia sono discreti e quantizzati E = hν

Ricapitolando le ipotesi di Planck 1 Le molecole delle pareti, come oscillatori, sono investiti dalle onde elettromagnetiche, assorbono la loro energia e cominciano ad oscillare riemettendo l energia assorbita. 2 L energia viene riemessa in forma di quantitá definite, quanti, aventi energia E = hν. 3 Non vi é emissione ad alte frequenze perché i pacchetti che possono essere emessi dovrebbero essere troppo grandi 4 Se si aumenta la temperatura si aumenta l energia degli oscillatori che in questo modo potranno emettere anche a frequenze piú grandi ν max T.

Lo spettro del sole

Lo spettro di una lampada ad incandescenza

Lo spettro di un corpo umano

Dalla Rete Programma https://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_it.html Note Storiche Giuseppe Giuliani fisica.unipv.it/percorsi/pdf/percorso_di_planck.pdf Luigi Sangaletti http://www.dmf.unicatt.it/ sangalet/ssis/lez5_6.pdf http://wwwusers.ts.infn.it/ milotti/didattica/labtermodinamica/blackbody.pdf