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La nuova meccanica quantistica

by Adriana Carelli
Inizio meccanica quantistica

Introduzione

Dieci anni dopo il lavoro di Bohr sull’atomo di idrogeno, due nuovi concetti si affacciano all’orizzonte per spiegare meglio i risultati sperimentali. Questi concetti sono: il e il di .

Il dualismo onda-particella

Dall’esame dei risultati sperimentali, discende in modo evidente che l’effetto fotoelettrico, l’effetto Compton e i processi di emissione ed assorbimento della luce devono essere interpretati ammettendo che la radiazione presenti un carattere corpuscolare. Altri fenomeni come l’interferenza e la diffrazione, richiedono che la stessa radiazione abbia un carattere ondulatorio.

In nessun fenomeno questi caratteri si manifestano in contemporanea, pertanto i due modelli, corpuscolare e ondulatorio, sono tra loro complementari. Sono due facce della stessa moneta, quando compare una scompare l’altra.

La dualità onda-corpuscolo acquisita per le radiazioni, non si era però mai presentata nella meccanica dei corpi materiali; un elemento di materia, per quanto piccolo era sempre e soltanto un elemento materiale cioè un corpuscolo.

Nel 1924 Louis , nella sua tesi di laurea avanzò un’ipotesi che sconvolse il mondo della fisica classica e presentò il modello onda-corpuscolo anche per le particelle di materia.

De Broglie penso che: Se le radiazioni luminose, che presentano così palesemente un aspetto ondulatorio, possono talvolta comportarsi come particelle, perché un elettrone o un protone, che sono evidentemente dei corpuscoli, non possono comportarsi come onde?

Egli cercò di fare una sintesi tra la meccanica e l’ottica ricavando la relazione chiamata relazione di De Broglie:

\lambda = \frac{h}{mv}

Dove

  • \lambda è la lunghezza d’onda
  • h è la costante di Planck
  • m è la massa
  • v è la velocità

De Broglie chiamò le onde associate alle particelle materiali “onde materiali”. Se le onde esistevano per le particelle piccole, vuol dire che un fascio di elettroni avrebbe dovuto provocare una diffrazione, come avviene nelle onde.

De Broglie

De Broglie, premio Nobel per la fisica nel 1929

Nel 1927 C.J. Davisson e L.H. Germer dimostrarono che un fascio di elettroni viene difratto da un cristallo di nichel. Nello stesso anno G.P. Thomson diresse un fascio di elettroni su un foglio sottile di metallo e ottenne la stessa figura di diffrazione.

Nel 1937 G.P Thomson e Davisson ottennero il premio Nobel per aver scoperto che l’elettrone è un’onda. G.P Thomson era figlio di J.J Thomson che aveva ottenuto il premio Nobel nel 1906 per aver scoperto che l’elettrone è una particella.

G.P. Thomson

G.P. Thomson premio Nobel per la fisica nel 1937

Padre e figlio insieme hanno dimostrato il dualismo onda-particella. La teoria ha scarso significato con oggetti macroscopici, in quanto le loro lunghezze d’onda sono troppo piccole per essere misurate e confrontate.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg

Nella fisica classica niente è lasciato al caso, conoscendo le condizioni iniziali di un sistema siamo in grado di prevedere con esattezza il suo comportamento nel tempo. Questa condizione di certezza viene meno con l’inizio della , che dalla certezza passa alla probabilità.

Negli anni ’20 del XX secolo, Niels Bohr e Werner Heisenberg pensarono ad esperimenti per vedere con quale precisione si potesse prevedere il comportamento delle particelle subatomiche. La conclusione a cui essi giunsero è che c’è sempre un’incertezza, in misura tale che il prodotto dell’indeterminazione della posizione \Delta x, per l’indeterminazione della quantità di moto \Delta p, vale :

\Delta x\Delta p \geq \frac{h}{4\pi }

Questa espressione è chiamata principio di indeterminazione di Heisenberg, ed indica che non è possibile misurare simultaneamente posizione e quantità di moto con grande precisione. Vuol dire quindi che se sappiamo con precisone la posizione di una particella, non possiamo conoscere con precisione da dove è arrivata e dove sta andando.

La relazione di De Broglie implica che per una data lunghezza d’onda \lambda, la quantità di moto è associata con precisone, questo però non accade con la posizione, come previsto dal principio di Heisenberg.

Vedi anche

Modello atomico di Thomson

La scoperta dell’elettrone

L’effetto fotoelettrico

L’inizio della fisica atomica

I numeri quantici

Il modello atomico di Rutherford

 

Immagini:

Di sconosciuto –  Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=622169

Di Nobel foundation – http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/thomson-bio.html, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6186894

By Benjamin Couprie – http://w3.pppl.gov/http://doi.org/10.3932/ethz-a-000046848, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21332727

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1 comment

Scritturando 05/04/2020 - 19:24

Da laureando in ingegneria trovo questo articolo molto interessante, come tutti quelli pubblicati 😊 buona continuazione!

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