Le rivoluzioni scientifiche del Le rivoluzioni scientifiche del XX secolo:XX secolo:

la rivoluzione atomistica ela rivoluzione atomistica ela meccanica quantisticala meccanica quantistica

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nothing but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant nothing but Facts. Facts alone are wanted in life. Plant

nothing else, and root out everything else. You can nothing else, and root out everything else. You can

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children. Stick to Facts, sir!  children. Stick to Facts, sir!  Charles Dickens

ATTENZIONE !!!

Aristotele 384 a.C. – 322 a.C.

John Locke,Thomas Hobbes,Francis Bacon

L’EMPIRISMO

1. Ogni corpo in natura è in principio isolabile purché lo si allontani sufficientemente dagli altri corpi

2. Il corpo isolato si muove di moto rettilineo uniforme a meno che non sia soggetto a forze esterne

I Principi dell’empirismoI Principi dell’empirismo

All’inizio del 900 vennero a maturazione, contemporaneamente, due rivoluzioni:1.La rivoluzione atomistica (prova finale dell’esistenza degli atomi sulla base dei lavori sull’interpretazione dei moti Browniani di Einstein e dei lavori di spettroscopia atomica)2.La rivoluzione quantistica, nata nel 1900 con il celebre lavoro di Max Plank sulla radiazione di corpo nero

……al termine del XIX secolo…al termine del XIX secolo…

Il problema del “corpo nero”Il problema del “corpo nero”Forno ad una ben determinataTemperatura dalla cui feritoia emergeUna radiazione termica

PRINCIPIO di EQUIPARTIZIONE DELL’ENERGIA:l’energia cinetica media associata da ogni grado di libertà,

ad una data temperatura é proporzionale ad ½ KT

La frequenza che contraddistingue questi campi vale zero per T=0 e poi cresce proporzionalmente a T

Applicando le leggi della meccanica classica si otteneva che, ad ogni temperatura, l’intensità crescesse continuamente al crescere della frequenza della radiazione

Le pareti del forno sono fatte di materia calda, che la teoriacinetica di Maxwell e Boltzmann descrive mediante I moti disordinati di atomi e molecole che, urtandosi, producono campi elettromagnetici, altrettanto disordinati che riempiono il forno.

La proposta di Max Planck (1901)La proposta di Max Planck (1901)

Un oscillatore di frequenza non può assumere TUTTI i valori di energiama solo valori discreti, cioè proporzionali ad una costante

E

Nella meccanica classica le proprietà discrete della Nella meccanica classica le proprietà discrete della materia (atomi, molecole) non si conciliano con quelle materia (atomi, molecole) non si conciliano con quelle continue della radiazione elettromagneticacontinue della radiazione elettromagnetica

Plank intuisce che i paradossi scompaiono se si ammette che lo scambio di energia tra materia e radiazione avviene in “pacchetti” la cui grandezza dipende dalla frequenza della radiazione scambiata.

Anche il campo elettromagnetico viene “spezzettato”,sbriciolato allo scopo di ricostruire il meccanismodi interazione con la materia

Poichè all'epoca la luce era considerata un'onda la forza di espulsione degli elettroni sarebbe dovuta dipendere solo dall’intensità della luce e non dalla sua frequenza, quindi non c'era ragione di pensare che luci rosse, verdi o blu avrebbe dovuto avere effetti diversi. Al contrario una debole luce rossa o una debole luce verde avrebbero dovuto espellere gli elettroni con meno forza di una intensa luce rossa o di una intensa luce verde. 

 Ma questo non accadeva! Al variare dell'intensità cambiava soltanto il numero degli elettroni espulsi, ma la velocità di espulsione degli elettroni rimaneva esattamente la stessa! 

Effetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico

Effetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico(1905)(1905)

Schema dell’effetto fotoelettrico. Fotoni incidenti su una superficie di potassio. I fotoni con frequenza maggiore (lunghezza d’onda minore) comunicano velocità maggiori agli

elettroni espulsi dopo averli urtati. Le lunghezze d’onda sono date in nanometri (nm) e le corrispondenti energie cinetiche dei fotoni in elettronvolt (eV). Fotoni con energia inferiore a 2 eV

non sono in grado di estrarre elettroni.

L’esperimento evidenziò che la radiazione uscente veniva deviata in tutte le direzioni e che la frequenza dell’energia in uscita era molto più piccola di quella del fascio in entrata. La logica spiegazione di tali riscontri era che i singoli fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero essi stessi energia; in pratica si comportavano come palle da biliardo che ne colpivano altre. 

Effetto ComptonEffetto Compton(1922)(1922)

La luce presenta quindi una La luce presenta quindi una doppia natura:doppia natura:

CorpuscolareCorpuscolare

OndulatoriaOndulatoria

Dualismo onda-particella

Ipotesi di De BroglieIpotesi di De Broglie(1924)(1924)

""The fundamental idea of [my 1924 thesis] was the The fundamental idea of [my 1924 thesis] was the following: The fact that, following following: The fact that, following Einstein's introduction 's introduction of of photons in light waves, one knew that light contains  in light waves, one knew that light contains particles which are concentrations of energy particles which are concentrations of energy incorporated into the wave, suggests that all particles, incorporated into the wave, suggests that all particles, like the electron, must be transported by a wave into like the electron, must be transported by a wave into which it is incorporated... My essential idea was to which it is incorporated... My essential idea was to extend to all particles the coexistence of waves and extend to all particles the coexistence of waves and particles discovered by Einstein in 1905 in the case of particles discovered by Einstein in 1905 in the case of

light and photons."light and photons."   

Esperimento di Davisson e GermerEsperimento di Davisson e Germer(1922)(1922)

11 elettroni

200 elettroni

600 elettroni

40000 elettroni

140000 elettroni

Nella nuova visione del mondo, i due sistemi irriducibilidella fisica classica, particelle e campi, vengono a fondersi in un unicum in cui la discontinuità del quanto e la continuità del campo si tramutano incessantementel’uno nell’altra

La materia ed il movimento non sono separabili,anzi la materia è dotata di una capacità intrinseca di automovimento

L’equazione di SchroedingerL’equazione di Schroedinger(1925)(1925)

( , )x t funzione d’onda:

2( , )x t

Probabilità di trovare la particella nel punto di coordinate x,y,z al tempo t

Il Gatto di SchroedingerIl Gatto di Schroedinger

1

2G morto vivo

…almeno finchè non si apre la scatola !!!

Ma il concetto di “fotone” isolato come Ma il concetto di “fotone” isolato come pure di atomo isolato è un’astrazione pure di atomo isolato è un’astrazione che non ha fondamento nella realtàche non ha fondamento nella realtà

Il calore specifico (1910)Il calore specifico (1910)

Premio Nobel per la chimica nel 1920

Nernst fu il primo a rendersi conto che il mondo dei quanti é un mondo fluttuante, ma le fluttuazioni sono ben diverse dalle fluttuazioni termiche:Intrinseche le primeIndotte dall’esterno le altre

L’anomalia del calore specifico per T→0

III principio della Termodinamica

(3 ) 3 / 24.94 /V A AC kTN kN mole J moleKT

Legge di Dulong & Petit

Contributo di Einstein → oscillatore armonico quantistico

Contributo di Debye →numero massimo di modi di vibrazione in un solido (analogia con i modi nella cavità di corpo nero)

4 312

5V AD

TC N k

T

Un corpo può pure essere allontanato indefinitamente dagli altri corpi, ma non può in nessun caso liberarsi del

vuoto. Attraverso il vuoto tutti i

corpi acquistano la capacità di interagire tra loro.

Teorema di BellTeorema di Bell

1.1. La realtà fisica obbedisce alle leggi La realtà fisica obbedisce alle leggi della meccanica quantisticadella meccanica quantistica

2.2. La realtà fisica è suscettibile di una La realtà fisica è suscettibile di una descrizione oggettiva, cioè descrizione oggettiva, cioè indipendente dall’osservatoreindipendente dall’osservatore

3.3. La realtà fisica è descrivibile come La realtà fisica è descrivibile come un insieme di eventi localizzabili un insieme di eventi localizzabili nello spazio e nel temponello spazio e nel tempo

David Bohm

Albert Einstein

Niels Bohr e la scuola di Copenhagen

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