La fisica quantistica

La fisica quantistica

Par. 1) L'elettrone e i raggi X

Una delle maggiori scoperte del XX secolo è sicuramente quella dell'elettrone quale particella elementare della materia fornita di carica elettrica. Furono molti gli scienziati che si impegnarono nello studio di tali particelle (Faraday, Stoney, Thomson), le sole a poter spiegare alcuni fenomeni registrati sperimentalmente.

Altra scoperta fondamentale furono i raggi X, dapprima misteriosi e inspiegabili, in un secondo momento studiati e addirittura usati in medicina per le prime radiografie. La prima proprietà riconosciuta ai raggi X fu la natura ondulatoria e solo successivamente si scoprirono essere radiazioni elettromagnetiche di una lunghezza d'onda compresa tra 10^-11 e 10^-8 m.

Par. 2) I quanti di Planck e i fotoni

La fisica classica non era in grado di spiegare vari fenomeni legati agli spettri di irraggiamento di corpi neri (cioè in grado di assorbire radiazioni elettromagnetiche) e tali fenomeni trovarono una giustificazione fisica solo con Planck, il quale ipotizzò che l'energia potesse essere scambiata solo in quantità fisse dette quanti. La quantità di energia che può essere scambiata da una particella oscillante dipende soltanto dalla frequenza della particella stessa.

La teoria dei quanti fu ripresa da Einstein nel 1905, quando il fisico introdusse i quanti di luce, o fotoni, per spiegare l'interazione tra radiazione e materia. Già H. Hertz aveva scoperto che, illuminando con l'ultravioletto una piastra di zinco, quest'ultima si caricava elettricamente (effetto fotoelettrico). Si scoprì che tale fenomeno è dovuto all'emissione di elettroni da parte del metallo causata da radiazioni ad alta frequenza.

Par. 3) La spettroscopia

La spettroscopia si occupa di interpretare gli spettri della radiazione elettromagnetica emessa o assorbita dalla materia. L'energia di una radiazione è distribuita su un insieme di lunghezze d'onda: lo spettro è la rappresentazione di tali lunghezze d'onda. Esistono sostanzialmente due tipi di spettri.

spettri di emissione: gas rarefatti o sostanze solide a bassissime temperature emettono radiazioni ben identificabili e caratteristiche della loro composizione chimica

spettri di assorbimento: si ottengono interponendo sul cammino di una radiazione un gas o un vapore rarefatto; poiché ogni atomo è in grado di assorbire le stesse lunghezze d'onda che è in grado di emettere, la sostanza sottrae allo spettro della radiazione alcune specifiche componenti che la identificano.

La spettroscopia è dunque in grado di analizzare quali sono le componenti chimiche di una sostanza partendo dalle radiazioni che quest'ultima emette.

Par. 4) La teoria corpuscolare della luce

L'effetto fotoelettrico aveva costretto i fisici a riformulare le teorie sulla luce, attribuendo a quest'ultima una natura corpuscolare costituita di fotoni o quanti di luce. Altri fenomeni presentano comunque caratteristiche tipicamente ondulatorie e a tal punto è naturale interrogarsi su cosa sia in realtà la luce. Vari esperimenti fisici confermano inoltre questa "doppia personalità". La conclusione sembra dunque essere l'accettazione di entrambe le teorie, necessarie per spiegare tutti i fenomeni sulla luce.