La Teoria Quantistica

La Teoria Quantistica

I risultati dell'analisi sperimentale dello spettro del corpo nero, che non erano in accordo con i principi della fisica classica, furono giustificati sul piano teorico dal fisico tedesco Max Planck. Secondo la fisica classica, le molecole di un solido oscillano intorno alle posizioni di equilibrio compiendo vibrazioni che si verificano a tutte le frequenze e con ampiezza direttamente proporzionale alla temperatura del corpo; l'energia termica del solido verrebbe quindi convertita continuamente in radiazione elettromagnetica. Planck reinterpretò il fenomeno postulando che l'irraggiamento da parte di un corpo o di un solido incandescente avvenisse per emissione di quantità discrete di energia, dette quanti, o fotoni. Ogni fotone ha una lunghezza d'onda caratteristica e un'energia:

E = hf

dove f è la frequenza dell'onda. La relazione che sussiste tra la lunghezza d'onda  e la frequenza è f* =c. La frequenza viene espressa in Hertz (Hz), o cicli al secondo, mentre la costante h, ora nota come costante di Planck, corrisponde a:

h = 6,626 * 10^-34 J*secondo.

Con l'ipotesi quantistica, Planck ripropose la teoria della natura corpuscolare della luce, evidente nell'analisi dell'effetto fotoelettrico.

Effetto Fotoelettrico:

Quando una radiazione di lunghezza d'onda opportuna (superiore al 'valore di soglia') colpisce una superficie metallica, quest'ultima emette elettroni. Il fenomeno è denominato effetto fotoelettrico e presenta alcuni aspetti rimarchevoli:

l'energia di ogni elettrone emesso dipende dalla frequenza e non dall'intensità della radiazione incidente secondo la relazione:

E = h(f - f₀)

la probabilità dell'emissione dei fotoelettroni dipende solo dall'intensità di illuminazione e non dalla frequenza, ammesso che la frequenza superi il valore di soglia.

non si osserva ritardo tra l'illuminazione della superficie metallica e l'emissione di fotoelettroni.

Con queste osservazioni, Einstein ipotizzò nel 1905 che la luce potesse essere assorbita solo sotto forma di quanti e descrisse molto semplicemente l'effetto fotoelettrico: ogni fotone incidente cede a un elettrone del metallo una quantità di energia E=hf, sufficiente per vincere le forze di attrazione del metallo e fuoriuscire dalla superficie libera del solido.

Meccanica Quantistica:

Nell'arco di pochi anni, tra il 1924 e il 1930 circa, fu sviluppato un approccio teorico completamente nuovo alla dinamica su scala subatomica, la MQ. Nel 1924 il francese Luis De Broglie suggerì che la materia avesse la duplice natura, corpuscolare e ondulatoria., già osservata per la radiazione elettromagnetica. A ogni particella veniva quindi associata un'onda di materia, di lunghezza d'onda

 = h/mv

dove m è la massa della particella e v è la sua velocità. Queste onde dovevano essere concepite come una sorta di guida per il moto della particella cui erano associate. L'ipotesi di De Broglie venne confermata nel 1927 dai risultati di una serie di esperimenti di interazione elettrone-cristallo condotti dai fisici statunitensi Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer. In seguito i tedeschi Max Born, Werner Heisenberg e l'austriaco Erwin Schrodinger svilupparono l'idea di De Broglie, nei modi sconvolgenti che esamineremo, in una forma matematica capace di risolvere problemi che non potevano essere spiegati nell'ambito della fisica classica. Oltre a confermare il postulato di Bohr della quantizzazione dei livelli energetici dell'atomo, la MQ fornisce una spiegazione degli atomi più complessi e costituisce il fondamento teorico della fisica nucleare. Inoltre, alcune proprietà dei solidi cristallini trovano un'interpretazione soddisfacente solo nei principi della teoria quantistica.

Nell'ambito della fisica moderna si sviluppò in breve tempo l'approccio di tipo statistico-probabilistico che era stato proposto da Bohr. Le relazioni di causa-effetto della meccanica newtoniana sono soppiantate da previsioni degli eventi in termini di probabilità statistica, e in quest'ottica le proprietà ondulatorie della materia vengono a rappresentare l'impossibilità di prevedere il moto delle particelle con assoluta precisione, anche conoscendo perfettamente le forze in gioco.

Già si può intravedere la portata mostruosamente innovativa di queste teorie. Ora mi accingo ad esaminare più nel dettaglio le teorie emblematiche del cambio di mentalità e ad esaminare i più evidenti risultati di queste nuove teorie sul 'modus cogitandi' dello scienziato moderno.