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Meccanica quantistica La meccanica quantistica è una teoria fondamentale della fisica moderna, detta anche teoria dei quanti, perché si basa sul concetto di “quanto” per spiegare sia le proprietà dinamiche delle particelle subatomiche sia le interazioni tra radiazione e materia. Le basi della meccanica quantistica furono poste nel 1900 dal fisico tedesco Max Planck, il quale ipotizzò che l’energia venisse emessa o assorbita dalla materia sotto forma di piccole unità indivisibili, chiamate appunto quanti. Fondamentale per lo sviluppo della teoria è stato inoltre il principio di indeterminazione, formulato nel 1927 dal fisico tedesco Werner Heisenberg, che stabilisce l’impossibilità di determinare simultaneamente con precisione la posizione e il momento di una particella subatomica. Nei secoli XVIII e XIX la meccanica classica, o newtoniana, sembrava essere in grado di spiegare accuratamente tutti i moti dei corpi; ma, tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo, alcuni risultati sperimentali iniziarono a metterne in dubbio la completezza. In particolare, l’insieme delle righe spettrali ottenute dall’analisi della luce emessa da gas incandescenti o da gas sottoposti a scarica elettrica era in disaccordo con il modello atomico di Ernest Rutherford, in base al quale gli scienziati si sarebbero aspettati da parte degli elettroni un’emissione continua di radiazione, e non un insieme linee luminose, prodotte solo a determinate frequenze. Lo studio dello spettro del corpo nero e dell’effetto fotoelettrico suggeriva che la radiazione elettromagnetica avesse un duplice comportamento (ondulatorio e corpuscolare) durante i processi di interazione con la materia. Un altro problema era costituito dall’assenza di una base molecolare per la termodinamica, che rendeva poco comprensibili gli andamenti dei calori specifici, non giustificabili alla luce della teoria classica. La radiazione luminosa di frequenza í è composta da particelle corpuscolari (fotoni) di energia E = h*í (h è la costante di Planck). Per riuscire a strappare un elettrone a una superficie metallica, l’energia del fotone deve essere maggiore dell’energia di legame dell’elettrone nel metallo (W). In questo caso, inserendo un amperometro fra anodo e catodo si misura un passaggio di corrente (a sinistra, nell’illustrazione). Se l’energia del fotone è inferiore a W (a destra, nell’illustrazione) non si ha effetto fotoelettrico, e dunque l’amperometro non registra flusso di corrente. La caratteristica importante dell’effetto fotoelettrico è di dipendere dalla frequenza della radiazione, che determina l’energia del fotone, e non dall’intensità della luce. Il primo passo verso lo sviluppo della nuova teoria fu l’introduzione da parte di Planck del concetto di quanto, concepito nel corso degli studi sulla radiazione di corpo nero condotti alla fine del XIX secolo (col termine corpo nero si indica un corpo o una superficie ideale, capace di assorbire tutta la radiazione incidente). I grafici sperimentali ottenuti analizzando l’emissione di radiazione elettromagnetica da un corpo incandescente erano infatti in disaccordo con le previsioni teoriche della fisica classica, che non riusciva a spiegare perché questo corpo emettesse il massimo dell’energia a una frequenza determinata, che cambiava con la temperatura a cui era tenuto il corpo e dipendeva strettamente da questa. Planck prima scrisse una relazione matematica per riprodurre correttamente le curve sperimentali, e poi cercò un modello fisico che rispondesse alla espressione trovata. Egli ipotizzò che l’interazione tra radiazione e materia avvenisse per trasferimento di quantità discrete di energia che chiamò quanti, ciascuno di energia pari a h*u, dove u rappresenta la frequenza e h il quanto d’azione, oggi noto come costante di Planck. Il passo successivo nello sviluppo della meccanica quantistica si deve ad Albert Einstein. Egli ricorse al concetto di quanto introdotto da Planck per spiegare al (segue nel file da scaricare)
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