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Il ‘900, secolo della meccanica quantistica

Con il 2000 è terminato il secolo che ha visto la nascita è la piena affermazione della meccanica quantistica; teoria che descrive i fenomeni che avvengono a livello fondamentale nel mondo fisico e su cui si basa il funzionamento dei dispositivi elettronici su semiconduttori. (Parte 1)

Il 14 Dicembre 1900, Max Planck propose la teoria “ del corpo nero” secondo la quale la radiazione si manifesta mediante quantità discrete ovvero quantiche. Questa teoria era necessaria per risolvere le discrepanze tra i dati sperimentali che riguardavano l’emissione di un corpo nero rispetto alle previsioni desumibili dalle teorie allora consolidate.

A questa data è così idealmente possibile attribuire la nascita della meccanica quantistica. Secondo questa nuova visione la luce deve essere considerata non solo come una semplice onda ma anche come trasferimento di energia “mediato” attraverso entità discrete identificabili nei “fotoni”.
Più precisamente l’energia può essere scambiata soltanto in quantità “discrete”, in “pacchetti” e quindi in molti fenomeni si comporta come se fosse costituita da particelle.

I processi di emissione e di assorbimento di radiazione da parte della materia avvengono come una successione di processi elementari, in ognuno dei quali viene emesso o assorbito un “quanto” di energia (E):

E = h n

dove n è la frequenza della radiazione e h è la cosiddetta costante di Planck, il cui valore è pari a:

h = 6,626176 · 10-34 J · s

Secondo questa nuova prospettiva il “fenomeno luce” possiede la proprietà di manifestarsi sia sotto forma di onda sia sotto quella di corpuscolo in funzione delle particolari condizioni in cui effettuiamo la nostra “osservazione”: osserveremo così un comportamento ondulatorio nei fenomeni di interferenza e diffrazione e un comportamento corpuscolare nell’effetto fotoelettrico.

Lo stesso approccio cognitivo può essere applicato anche alla materia: Niels Bohr per primo dimostrò l’applicabilità di una teoria quantistica nella determinazione della struttura dell’atomo. Questo approccio gli permise di sviluppare la prima spiegazione consistente di un modello atomico in cui gli elettroni sono “orbitanti” in prossimità del nucleo senza collassare su questo.
Louis de Broglie spinse oltre la similitudine tra luce e materia postulando che anche le particelle elementari che costituiscono la materia, hanno proprietà ondulatorie.
Come verificato nei primi esperimenti di diffrazione degli elettroni, in alcuni fenomeni le particelle si comportano come se fossero costituite da onde: per esempio, si possono osservare effetti di interferenza e diffrazione. A ogni particella può essere associata una lunghezza d’onda (l ) pari a:

l = h / p

dove p è il modulo della quantità di moto del corpo.
Valori di l per alcuni atomi con velocità di agitazione termica alla temperatura ambiente:

atomo di idrogeno 1,14 · 10-8 cm

atomo di elio 0,57 · 10-8 cm

Nella foto al lato:

Max Planck (in alto)

Louis de Broglie (in basso)

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