Thirtu Years That Shoot Physics

8/14/2019 Thirtu Years That Shoot Physics

1/8

La fisica ha ormai scoperto quasi tut- to, bisogna solo chiarire alcu ni dettagli .

A distanza di pi di cento anni le parole chePhilip Von Jolly, pro-fessore di fisica a Mo-naco, rivolse a MaxPlanck , allora studente,ci danno lidea di quantosia limitato limmagi-nario umano rispettoalle infinite manifesta-zione della natura.

La meccanica clas-sica ha condizionato loscenario comune e laconcezione umana delmondo, incentrata sulmodello deterministico:

tutto ci che avveniva aveva una causa defi-nita a cui seguiva un effetto definito, fino aquando nel Novecento, appunto, Max

Planck la rivoluzion introducen-do un nuovo concetto, che nonfaceva parte della fisica classi-

ca. Max Planck espose, infattinel 1900, il concetto di quan-tizzazione dellenergiaperspiegare lo spettro di emissio-ne del corpo nero: ovvero uncorpo ideale capace di assorbiretutta la radiazione incidente sul-la sua superficie e nel quale av-viene un equilibriotra la radia-zione emessae quella assorbi-ta, in maodo che lintensit diluce complessiva non dipenda

dalla composizione chimicadel corpo ma

TrentAnni chesconvolsero la Fisica

Thirty Years thatShoot Physics

Conti Nicolo, Corinzia Luca, Savia Andrea, Sciuto G anfranco Liceo Scientifico Enrico Boggio Lera

Catania, [email protected]

Physics has just discovered every- thing; we only have to clarify some de- tails . After a century these words by Philipvon Jolly to MaxPlank make us under-stand that humanimagination is limitedcompared to the infiniteexpressions of nature.Classic mechanics hasdominated the commonscenery and the ideasof the world, based ondeterminism: all thathappened had a specificreason and specific ef-fects took place, until in

1900 Max Planck changed it radically with a new concept, out-side the classic physics. In fact MaxPlanck formulated in 1900, the concept of the quantum leapof energy toexplain the spectrum of emis-sion of a black body. That is an

ideal body capable of absorb-ing the entire radiation incidenton its surface and in which a bal-ance between the emitted andthe absorbed radiationtakesplace. So that all the power of the light does not depend fromthe chemical compositionof abody, but only from its tem-perature. In fact, the latter de-pends on the relation betweenemitted and absorbed radia-

tion, which is the same in aspecific temperature. Classic phys-

BOHR'S ATOMIC MODELIL MODELLO ATOMICO DI BOHR

MAX PLANCK

14-16

36


2/8

dalla sua temperatura. Essa, infatti, dipen-de dal rapporto tra la radiazione assorbitae quella emessa, che uguale in tutti corpiad una data temperatura. La fisica classi-ca non riusciva a spiegare landamento del-lintensit luminosaed per questo moti-vo che fu introdotta la costante di Planck :nacque una nuova fisica, detta quantistica , che, contrapposta a quella classica, sibasava su una concezione discontinuadellenergia.

Questa idea nonfu accettata dai fisi-ci del tempo, tutta-via torn in auge perspiegare leffettofotoelettrico, espe-rimento condotto da

Albert Einsteinnel1905. Tale esperi-mento consisteva

nellestrazione di e-lettronidalla super-ficie di un metalloda parte di radia-zione luminose

incidenti ad essa. Per la leggedi conserva-zione dellenergia, lenergia irradiatadalle radiazionisi trasferisce quindi in parteall energia cineticadegli elettroni.

La meccanica classicaprevedeva teori-

camente che allaumentare dell intensitdella radiazione luminosaaumentasse le-nergia cineticadegli elettroni. Levidenzasperimentale non conferm questa previsio-ne, anzi registr laumento di numero deglielettroniaventi tutti la stessa energia ci-neticauguale a quella iniziale, rispettando lalegge di conservazione. Si cap pertanto chelenergiapoteva essere immagazzinata sol-tanto in quantit discrete, chiamati quanti .

Nel 1913 Niels Bohrutilizz la teoriadei quantiper giustificare lo spettrodi e-missionediscontinuo degli atomi. Egliipotizz un atomo nel quale gli elet-

ics could not explain the behaviorof thelight powerand for this reason Plancksconstantwas employed: the new physics,trained to the classic one, was called quantum mechanics , based on the non-linearconceptionof energy.

This idea was not accepted by thephysicistsof the time, since in 1905, Al-bert Einsteinsolved the photoelectric ef-fect paradoxby describing light as com-posed of discrete quanta, rather than con-tinuous waves. Thephotoelectric ef-fect is a phenome-non in which elec-trons are emittedfrom matter afterthe absorption of energy from elec-tromagnetic ra-diation. Accordingto the energy con-servation law, theenergy radiatedfrom radiat ion,moves partly to thekinetic energyof the electrons. Classicmechanics predicted theoretically thateach increase of the powerof light radia-tion coincided with the increase of the elec-tron kinetic energy.

The experimentalevidence did not con-firm this theory, but rather it observed anincrease in the numberof electronswiththe same kinetic energythat was equal tothe initial one, according to the energy con-servationlaw. It was understood that en-ergy could be stored only in moderatequantity, called quanta .

In 1913, Niels Bohrused the quantumtheory to explain the intermittent spectrumof emission of an atom. He hypothesizedthat the electrons that were arranged incircular orbitshave specific energy value;when an electronabsorbs a quantum of

History of Science and TechnologyEuropean PupilsMagazine

DE BROGLIE'S ATOMICMODELLO ATOMICO DI DE BROGLI E

37

14-16


3/8

tronifossero disposti in orbite circolaria-venti ognuno un proprio valore di energia;quando un atomoassorbiva un quanto dienergia lelettronecambiava orbita e, di

conseguenza, livello e-nergetico, rispettandola legge di conserva-zione dellenergia. Siraggiunse in tal modouna condizione di insta-bilit per la quale lelet-trone ritorna alla condi-zione di partenza emet-tendo il quanto di e-nergia assorbito prece-dentemente sotto formadi radiazione elettro-magnetica. Lo spettro

di emissionerisult discontinuo in quantoun atomopoteva assorbire ed emettere soloquantidi energiadefiniti e non valori inter-medi per i quali si otterrebbero spettri diemissionecontinui. Le evidenze sperimen-tali testimoniarono, quindi, che esistono valo-

ri discreti di ener-gia anche per leradiazioni elettro-magnetichedefini-te quanti di luce ofotoni . Con questescoperte si abban-

don temporanea-mente la teoriaondulatoria in fa-vore di una rivaluta-zione di quella cor-puscolare, avanzataper la prima volta

da Isaac Newtonnel XVII secolo.Linterpretazione corpuscolare ne-

wtoniana, tuttavia, fu messa in crisi dagliesperimenti che evidenziarono fenomeni didiffrazionee di interferenzadella luce,caratteristici dei moti ondulatori. Il primodi questi esperimenti fu quello di Thomas

energy gains energy and, consequently,travels in a higher level energy orbit.Thus, a condition of instability, for which theelectronreturns to the initial condition emit-ting the quantum of energy earlier absorbedin form of electromag-netic radiation. Thespectrum of emissionresulted non-linearbe-cause an atom couldabsorb and emit only adefinite quantum of energy and no interme-diate value, according towhich a continuousspectrum of emissioncould be obtained. Ex-perimental evidence, testified that a moder-ate energyvalue existed also for electro-magnetic radiation, defined as quanta of light or photons . With these discoveriesphysiciststemporally abandoned the wavetheory in favour of a revaluation of the par-ticles theory, en-visaged for the firsttime by IsaacNewton in theXVII century.

Yet, Newtonsparticleinterpreta-

tion was challengedby experimentswhich emphasizedphenomena of dif-fraction and in-terference of thelight, characteristicof wave m ovements. The first of these ex-periments was performed by Thomas

Youngin 1801. A lightsource that lightsup two small cracks made in an opaquescreen, and the images of the cracks are

projected on a photographic plate. At theend of the experiment he observed an


HEISENBERG AND DE BROGLIE

THE TWO LOGICAL POSSI BILI TIESLE DUE POSSIBI LIT LOGICHE

14-16

38


4/8

Young, nel 1801, chepu essere cos schematiz-zato: una sorgente lumi-nosa illumina due piccolefenditure praticate in unoschermo opaco, e le imma-gini di queste sono proiet-tate su una lastra fotogra-fica. Al termine dellesperi-mento si osserva, nella la-stra fotografica, unalter-nanza di frange chiare escure; ci una conse-guenza dellinterferenzatra onde. Essa, per, puavvenire soltanto tra due opi onde e, in questo caso,esse sono ottenute dalladiffrazioneche si verifica

al passaggio tra le due fenditure dellinizialefascio luminoso. Questi effetti, di diffra-zionee di interferenza, sono tipici di motiondulatorie non sono integrabili nella teo-ria corpuscolaredella luce. Anche questateoria fu per messa in crisi dallesperimen-to delleffetto fotoelettricoche prevedeun comportamento energeticodisconti-nuo della lucenon previsto dalla teoria on-dulatoria. Nasce cos la teoria quantisticadella luce, per la quale essa formata daquantidi energia. Questultimi, per la teo-

ria relativisticaproposta da Einstein, aglialbori del 900, equivarrebbero a piccole con-centrazioni di massa, richiamando cos lateoria corpuscolaredi Newton.

Si dedusse per che le due teorie, presesingolarmente, non potevano descrivere tuttii fenomeni luminosi. La teoria ondulato-ria, infatti, non prevedeva i quantidi lucementre la teoria quantistica corpuscolarenon includeva fenomeni di diffrazionee diinterferenza.

Lunica soluzione era conciliare entrambele teorie: nasce cos la teoriadualisticaonda-corpuscolo. Nel 1925 Louis

alternation of light anddark lines; this was aconsequence of the inter-ference among thewaves. It can only takeplace between two ormore waves and, in thiscase, they are obtainedfrom the diffraction thattakes place on the passageof initial light beam be-tween the two cracks.These effects of diffrac-tion and interferenceare typical of wave-likemotions and they are notincluded in the corpuscu-lar theory.

This theory too, wasquestioned by the experiment of the photo-electric effect, which envisaged a non-linear energetic behaviorof the lightandnot reckoned for by wave theory. Thequantum theorywas formulated accordingto which light is made of quanta of en-ergy. The relativistic theoryproposed by

Albert Einstein, at the beginning of the XXcentury, explains that they should beequivalent to small mass concentrations, re-ferring to Newtons particle theory.Physicistinferred that the two theories,

examined separately, could not describe alllight phenomena. The wave mechanicsin fact, did not provide photons, whilequantum theorydid not include the phe-nomena of diffractionand interference.

The only solution was to conciliate boththeories: that is the lightdual wave- par-ticle theory. In 1925 Louis De Broglie,on experimental evidence, generalized thistheoryfor every body. In the experimentsof the two cracks, in fact, substituting thelightbeam with an electronone, the phe-nomenon of diffractionand interferencewas clearly observed. The mathematic re-


HEISENBERG'S IDEAL EXPERIM ENTESPERIMENTO IDEALE DI HEISENBERG

39

14-16


5/8

De Broglie, basandosi su evidenze speri-mentali, generalizz tale teoria a qualsiasicorpo. Nellesperimento delle due fenditure,infatti, sostituendo al fasciodi luceun fa-sciodi elettroni, si ottengono ugualmentefenomeni di diffrazionee di interferenza.La relazione matematicaottenuta da DeBroglie, rispetto ad un determinato corpo, cipermise di conoscere la lunghezza donda

di questultimo, che si rivela inversamenteproporzionale alla quantit di motodel cor-po.

La dualit onda-corpuscolosi basa sulfatto che talvolta le onde elettromagneti-che possono comportarsi come particelle e,viceversa, particelle come gli elettronipossono comportarsi in modo indeterminato,perch diffuse nello spazio.

La teoriadi De Broglie stata applicataallo studio della struttura dellatomo; losviluppo del modello atomico legato aquello della teoria quantistica. Dal model-lo atomicodi Bohrsappiamo che gli elet-troninon possono occupare unorbita qual-siasi, bens orbitedefinite con determinatilivellidi energia.

lation obtained by De Broglie, as com-pared to a determinate body, allows to stateits wave-length, which is inversely propor-tional to the quantity of the body motion.

The duality wave-particleis based onthe fact that sometimes the electromag-netic wavescan behave as particles andvice versa. Particlessuch as electronscanbehave indeterminately because they diffusein the space.

De Broglies theoryhas been applied tothe study of the atom structure; the devel-opment of the atomic modelis connectedto the quantum theory. From Bohrsatomic modelwe know that the electronscannot occupy any orbit, but rather definiteorbitswith determined energy level.

De Brogliemade the understanding of this restriction easier, since every electrondescribes a stationary wavearound the nu-cleuswhich, not to cancel itself, can only bea whole multiple of the wave-length.The electron, therefore, cannot occupyany orbit, because, if so, the delineatedwavewould cause a destructive overlap.The energetic levelsand the relative wavefunctions that the electroncan occupy, are,on the contrary, obtained from the solutionsof the equationformulated by the Austrianphysicist Erwin Schrodinger, in 1926.

This equation, which considers all the

energy contributionsof the system, re-sults in discreet values of the possible wavefunctionsand the corresponding energyvalues; and we are able to calculate the en-ergy leap of an electronfrom a level to an-other one, so called quantum jump , al-ready introduced by Bohr.

Later the Britishphysicist Max Borngave further contribution to the quantummechanics development, interpretingSchrodingers equationin a probabilisticway.

Such interpretation, applied to the de-scription of the atomic structure, im-


THOMAS YOUNG

14-16

40


6/8

De Broglieci aiut a comprendere que-ste restrizioni, poich ogni elettronedescri-ve un onda stazionariaintorno al nucleoche, per non annullarsi, pu soltanto essereun multiplo intero della lunghezza donda.L elettrone, quindi, non pu occupare qua-lunque orbita, poich se cos fosse londadelineata causerebbe una sovrapposizionedistruttiva.

I livelli energeticie le relative funzionidondache lelettronepu occupare, inve-ce, sono date dalle soluzioni dell equazioneformulata dal fisico austriaco ErwinSchrodinger, intorno al 1926. Questa e-quazione, che tiene conto di tutti i contribu-ti di energia del sistema, fornisce comerisultato i valori discreti delle funzioni don-da possibili e i corrispondenti valori di ener-gia; ed , inoltre, possibile calcolare i salti di

energia di un elettroneda un livelloadun altro, i cosiddetti salti quantistici, intro-dotti gi da Bohr.

Il fisico britannico Max Born, in segui-to, dette un ulteriore contributo allo sviluppodella meccanica quantistica, dando unin-terpretazione probabilistica all equazionediSchrodinger. Tale interpretazione, applicataalla descrizione della struttura atomica,implic in parte labbandono del modelloatomicodi Bohr. Le orbite circolaripro-poste da questultimo, infatti, risultano incontrasto con il carattere probabilistico chelinterpretazione dell equazione di

plied the partial neglect of Bohrs atomicmodel. The circular orbitsproposed bythe latter, in fact, are in contrast with theprobabilistic character that the interpretationof Schrodingers equationgives to the de-termination of the electronposition in anatom. We have then, the new concept of orbital defined as a region of space inwhich an electronwith a determined en-ergy value is most likely to be found. A fur-ther research in the fieldof the microcosmwas made possible, immediately afterSchrodingers works, by Werner Heisen-berg with his principleof indetermina-tion. Such principle was inferred by an idealexperiment, which consist in determining theparticle position and speed, and, therefore,in determining its present and future posi-tion. These quantitiesare measured withthe emission of electromagnetic w avesonthe particles, in order to perform thesemeasures their motionshave to be dis-turbed.

The more we want to be accurate in theposition, the more the radiation wave-lengthhas to be reduced; in doing so thefrequencyincreases and consequently theenergy, too. The particlewill be more dis-turbed, therefore compromising the precisemeasure of its motion quantity. This inde-termination is a limit which derives from the

nature of the matter and it does not dependon the precision of our instruments. Themathematic formula, at the basis of inde-termination was formulated in 1927 byHeisenbergand it focuses an inverselyproportional relationbetween indetermi-nation on the position and that on the mo-tion quantity. The macroscopic behav-iourof the matter is different from the mi-croscopicone. In fact in classic physicsthe knowledge of the position and speed of amaterial point in a specific moment is suffi-cient to predict its future route. Instead thequantum mechanicsproposes a model in


PHOTOELECTRIC EFFECT

EFFETTO FOTOELETTRICO

41

14-16


7/8

Schrodingerd alla determinazione dellaposizione di un elettrone in un atomo. Vie-ne, quindi, introdotto il nuovo concetto di or-bitaledefinito come la regione di spazioin cui si ha la massima probabilit ditrovare lelettrone con un determinatovalore di energia.

Un ulterioresviluppo sul fron-te del microco-smo si ebbe, su-bito dopo i lavoridi Schrodinger,da parte di Wer-ner Heisenbergcon il suo princi-pio di indetermi-nazione. Taleprincipio fu de-dotto attraverso

un esperimento ideale che consiste nel deter-

minare la posizionee la velocitdi unaparticellae, quindi, nel poter determinare lasua posizione istantaneae futura.

Queste grandezze vengono misurate conlemissionedi onde elettromagnetichesulla particelle, quindi per eseguire questemisurazioni bisogna disturbare il suo moto.Tanto pi si vuole essere precisi sulla posi-zione, tanto pi bisogna diminuire la lun-ghezza dondadella radiazione; cos fa-

cendo aumenta la frequenzae di conse-guenzaanche lenergia. La particellaver-r, quindi, disturbata maggiormente compro-mettendo la precisionedella misurazionedella sua quantit di moto. Questa indeter-minazione un limite che nasce dalla natu-ra dalla materiae non dipende dalla preci-sione dei nostri strumenti. La formula ma-tematica, alla base dellindeterminazione, fuformulata nel 1927 da Heisenberg, e foca-lizza una relazionedi inversa proporzio-nalittra lindeterminazione sulla posizionee quella sulla quantitdi moto.

Il comportamento della materiasu scala

which the phenomena taking place onatomic levelare described on a probabilisticbasis.

All that we observe in this field is beyondour imagination, because humans are accus-tomed to interpreting macroscopicrealitywith deterministic laws, which cannot be ap-plied to microscopicphenomena and so theyappear inexplicable, clash-ing with our commonsense: nature appears un- natural . Albert Einstein,in The Evolution of Physics co-authored byLeopold Infeld, affirmsthat that science is a book in which the word has not and will never be written. Each important progress sets new questions

in motion in time, each development w ill lead to new and deeper difficulties .

With this consideration it is evident thatalso the quantum theory, similarly to clas-sic physics, in the future could be substi-tuted by a new theory that, exposing asfalse the quantum theory principles, willpropose a new, innovative and revolution-ary visionof the world.

Each theory, in fact, is temporary and its

value does not depend on its persistence inan immutable form, but it depends on thefact that new knowledge can lead to a newtheory. We are waiting, therefore, for a newPlanck who will propose a more completetheory.

Bibliography Davies Paul, Le forze della natura , 1990,

Bollati Boringhieri, Torino Einstein Albert e Infeld Leopold, LEvolu-

zione Della Fisica , 1938, Universale BollatiBoringhieri, Torino

Feynman Richard, Sei pezzi facili ,


14-16

42

WAVE-PAR TICLE DUALITY DUALIT ONDA-CORPUSCOLO


8/8

macroscopica, per, diverso da quelloche noi osserviamo a livello macroscopico.In contrapposizione al carattere deterministi-co della fisica classica, in cui la conoscenzadella posizionee della velocitdi un puntomateriale in un dato istante sufficiente perpoter predire il suo percorso futuro, la mec-canica quantisticapropone un modellonel quale i fenomeni che avvengono a livelloatomicovengono descritti su base proba-bilistica.

Tutto ci che si osserva in questambito al di fuori della nostra immaginazione, inquanto luomo abituato ad interpretare larealt macroscopicaattraverso leggi de-terministiche.

Queste ultime non possono essere appli-cate ai fenomeni che avvengono su scala mi-croscopica, e pertanto esse appaiono in-spiegabili scontrandosi con il senso comune:la natura ci appare innaturale . Da quanto

detto emerge la considerazione di AlbertEinstein, in LEvoluzione della Fisica , chela scienza un libro nel quale la parola non e n sar m ai scritta. Ogni importante progresso fa nascere nuovi quesiti. Alla lunga ogni sviluppo condu- ce a nuove, e pi profonde difficolt .

Alla lucedi questa riflessionerisulta e-vidente che anche la teoria quantistica, inmaniera analoga alla fisica classica, in fu-turo potr essere sostituita da una nuova te-oria che falsificando i principi della teoriadeiquanti, proporr una nuova visione delmondo innovativae rivoluzionaria.

Ogni teoria, infatti, provvisoria e il suovalore non dipende dalla sua persistenza informa immutata, ma dal fatto che in seguitoa nuove conoscenze possa essere integratada una nuova teoria.

Stiamo, quindi, attendendo un nuovo

Planck che, proponendo una teoria picompleta accoglier e superer il vecchiomaestro cos come Einsteinha accolto eintegrato Newton.

1963, Adelphi, Milano Gamow Gorge, Trentanni che sconvolsero

la fisica , 1966, Zanichelli, Bologna Gamow Gorge, Biografia della fisica , 196-

1, Oscar Mondatori, Milano Penrose Roger, La mente nuova dellim-

peratore , 2000, Biblioteca Universale Riz-zoli, Milano

Zeilinger Anton, Il velo di Einstein. Il nuovo mondo della fisica quantistica , 2003,Einaudi, Torino

Iconography Max Planck, www.physics.gla.ac.uk/

Physics3/Kelvin_online/clouds.htm, Uni-versity of Glasgow Department of Phys-ics and Astronomy

Effetto fotoelettrico, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:EffettoFotoelettrico.png WikimediaCommons

Modello atomico di Bohr, www.anisn.it/vicenza/scuole/Piga_lab/fiamma02.htm,

ANISN Associazione Nazionale Degli Inse-gnanti di Scienze Naturali

Schrodingers Results, http://stochastix.wordpress.com/2007/09/06/wave-particle-duality-a-cartoon/, Reason-able Deviations, Image courtesy of N.Harding

Wave-Particle Duality,

www.quantiki.org/wiki/images/4/46/PhotonIdentityCartoon.gif, Quantiki portal The two logical possibilities, Youngs ex-

periment, http://cs-exhibitions.uni-klu.ac.at/index.php?id=254, people be-hind informatics universitat klagenfurt

Thomas Young, http://renesse.berloth.net/index.php?page=photography.htm Van RenesseConsulting

De Broglies atomic model,www.sr.bham.ac.uk/xmm/atom1.html,University of Birmingham Astrophysics& Space Research Group


43

14-16

Thirtu Years That Shoot Physics

Documents

Transcript of Thirtu Years That Shoot Physics