A clash of doctrins is not a tragedy, It is an opportunity A.N.
Whitehead Alunno: Giordano Genovese Classe: V sezione: A Liceo
Scientifico Statale Vito Volterra
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Cenni di meccanica classica relativi al fenomeno Assenza di
resistenza elettrica nel conduttore Assenza di resistenza elettrica
nel conduttore Repulsione del campo magnetico Repulsione del campo
magnetico Possibilit di raggiungere basse temperature Possibilit di
raggiungere basse temperature E necessario considerare il fatto che
vengono presi in esame particelle atomiche e subatomiche,
caratterizzate dal noto dualismo onda-particella. Necessit di
assumere un nuovo schema interpretativo
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Dallindividuo al gruppo: dalla meccanica classica alla
meccanica quantistica Ma cosa significa cambiamento di paradigma? E
come si svolge realmente il progresso scientifico? Ma cosa
significa cambiamento di paradigma? E come si svolge realmente il
progresso scientifico? Inadeguatezza delle leggi della meccanica
classica Il fenomeno in esame non pu essere interpretato solo
prendendo in considerazione il singolo individuo nel sistema Fase
di transizione che prende il nome di cambiamento di paradigma
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Thomas Samuel Kuhn The structure of scientific revolutions
Paradigma: esso non pu essere semplicemente ridotto ad una singola
teoria o ad una serie di leggi, ma si identifica con lintera
visione del mondo nel quale la teoria esiste e dal quale derivano
tutte le leggi. Un paradigma basato sulle caratteristiche del
panorama della conoscenza che gli scienziati possono identificare
attorno a loro. Ogni paradigma porta con s delle anomalie, ossia
degli elementi, anche derivanti dai risultati sperimentali nel caso
specifico della scienza, che non si accordano con i fondamenti
dellimpianto teorico
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Laccumularsi di anomalie porta al collasso del paradigma di
quella che Kuhn chiama scienza normale KARL RAIMUND POPPER afferma
che non necessariamente laccumularsi di anomalie conduce al
collasso del paradigma Criterio di falsificabilit: la possibilit di
falsificare un paradigma non il punto di partenza per una
rivoluzione scientifica, bens costituisce la base per laffermazione
del medesimo schema interpretativo; le anomalie, infatti,
consentono di modificare i criteri della scienza normale al fine di
non provocare il collasso dellintera struttura Negazione di
qualsiasi istanza induttivista e affermazione del nuovo metodo
deduttivo dei controlli Cambiamento di paradigma: rivoluzione
scientifica
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Thomas Samuel Kuhn The structure of scientific revolutions Il
cambiamento di paradigma
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11 dicembre 1911 - Heike Kamerlingh Onnes, dopo esser riuscito
a mettere a punto una tecnologia attraverso la quale raggiungere
temperature prossime a quelle dello zero assoluto e a produrre elio
liquido, osserva per la prima volta il fenomeno della
superconduttivit. 1957 John Bardeen, Leon Cooper e John Robert
Schrieffer pubblicano la prima teoria fenomenologica che spieghi
validamente quello che Onnes aveva osservato: la teoria BCS. 11
dicembre 1972 La teoria BCS vale ai suoi tre autori il premio Nobel
per la Fisica.
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Quando si parla di corrente elettrica generalmente si parla
anche di resistenza elettrica. Essa non altro che il risultato di
un numero estremamente elevato di urti fra gli elettroni di
conduzione e gli ioni che compongono il reticolo cristallino del
conduttore, i quali vibrano attorno ad una posizione chiamata punto
stazionario. Come gi messo in evidenza dalla relazione di
Dulong-Petit, tali moti di vibrazione degli ioni sono dovuti
allagitazione termica e, dunque, dipendono direttamente dalla
temperatura del conduttore Quando la temperatura viene ridotta al
di sotto di un certo valore critico, contrariamente a quanto ci si
aspettava, la resistivit del materiale va improvvisamente a zero
(fig. 1) Fig. 1- Dati registrati da Onnes negli esperimenti con il
mercurio. Quando il fisico olandese port il materiale alla
temperatura di 4.2K attraverso limpiego di elio liquido la
resistivit del metallo and improvvisamente a zero.
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Quando la temperatura di un conduttore viene ridotta in maniera
significativa i moti di vibrazione degli ioni del reticolo
subiscono un brusco rallentamento (fenomeno che verr meglio
spiegato nel parlare dei fononi) Questo fa s che quando un
elettrone di conduzione passa attraverso il reticolo, visto che la
particella si muove con velocit di gran lunga superiore a quella
che caratterizza i moti degli ioni, genera una forza di attrazione
su di essi, determinando la formazione di una zona con maggiore
densit di carica positiva Un secondo elettrone che si muove nella
medesima direzione del primo ma con spin opposto risente della
forza di attrazione esercitata dalla zona a maggiore densit di
carica positiva
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Tuttavia questa una spiegazione ancorata alle leggi della
meccanica classica. Tale forza di attrazione continua ad agire
anche quando lelettrone piuttosto lontano dalla buca di potenziale
positivo Riduzione della forza coulombiana di repulsione elettrica
fra gli elettroni Attrazione verso la zona a maggiore densit di
carica positiva Gli elettroni (fermioni) si accoppiano formando dei
bosoni, potendo dunque condensare nel medesimo stato quantistico 1
1 Si tenga a mente una cosa: gli elettroni, essendo dei fermioni,
non possono occupare il medesimo stato quantistico (non a caso
possiedono spin pari a e -); nel momento in cui essi formano coppie
di Cooper cambia radicalmente la loro natura, dato che le coppie
risultano essere dei bosoni (aventi spin unitario), dunque hanno la
possibilit di condensare nel medesimo stato quantistico. Si genere
cos uno stato di materia condensata. Si genera una corrente
superconduttrice
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Fig. 2- Esempio di struttura reticolare statica. In un reticolo
cristallino i modi normali possibili sono pari a 3N, dove N
rappresenta il numero di ioni che compongono lo stesso reticolo. Il
numero quantico (n qs ), che in quantomeccanica esprime lo stato di
eccitamento di un particolare modo normale, rappresenta il numero
di fononi con frequenza pari a s. A ogni fonone corrisponde un
quanto di energia vibrazionale pari a E=h s. Le vibrazioni
dellintero reticolo possono essere viste come la sovrapposizione di
modi normali. Fig. 3- Curve che rappresentano landamento del calore
specifico in relazione alla temperatura. I tre grafici a tratto
continuo sono caratteristici di Xenon, Kripton e Argon, mentre
quello tratteggiato rappresenta la previsione teorica di
Dulong-Petit. Landamento delle curve (fig. 3) quando la temperatura
si approssima allo zero assoluto significativa: come se alcune
frequenze di vibrazione venissero congelate. Si pu notare come i
dati sperimentali differiscano dalla previsione fornita dalle leggi
di Dulong-Petit: linterpretazione delle curve caratteristiche pu
essere fornita solo attraverso lintroduzione dei fononi.
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Leffetto Meissner-Ochsenfeld venne osservato per la prima volta
da i fisici tedeschi Walter Meissner e Robert Ochsenfeld nellanno
1933. Lerrore che generalmente si compie quello di confondere
questo fenomeno con quello del diamagnetismo perfetto, ossia
semplicemente con la completa espulsione del campo magnetico dal
superconduttore. Fig. 4- Espulsione del campo magnetico (B) durante
la fase di transizione verso lo stato superconduttore. I due fisici
tedeschi, infatti, non si limitarono ad osservare questo: ci che
Meissner e Ochsenfeld notarono era che quando la temperatura di un
conduttore immerso in un campo magnetico (B) veniva portata al di
sotto della temperatura critica (T c ) di transizione verso lo
stato di superconduttivit, si generava una quantit di corrente
superconduttrice esattamente pari a quella necessaria ad espellere
il campo magnetico applicato. E come se la natura fosse
intelligente.
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Lespulsione del campo magnetico, inoltre, pu essere spiegata
secondo le leggi dellelettromagnetismo. Infatti, la corrente
superconduttrice scorre in una zona esterna del superconduttore
chiamata in gergo buccia: la circuitazione di tale corrente, come
spiegano le leggi di Maxwell, produce un flusso di campo magnetico
che si oppone al campo che viene applicato. Affinch il fenomeno di
espulsione del campo magnetico applicato possa durare nel tempo,
questultimo dovr esser mantenuto al di sotto di un valore critico
proprio di ogni superconduttore: superato tale valore, il
superconduttore torna allo stato originario. Superconduttore L
(London penetration depth) (cm) Tl (Tallio)9,2 x 10 -6 In
(Indio)6,4 x 10 -6 Sn (Stagno)5,1 x 10 -6 Hg (Mercurio)4,2 x 10 -6
Pb (Piombo)3,9 x 10 -6 Fig. 4- Valori del London penetration depth
per alcuni superconduttori. Lespulsione del B non , tuttavia,
completa: esiste un valore caratteristico di ogni materiale
superconduttore chiamato London penetration depth che rappresenta
la distanza dalla superficie attraverso la quale il campo magnetico
applicato riesce ancora a penetrare.
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Anche se un risultato del genere sarebbe sicuramente
auspicabile, tuttavia ancora non si riusciti a realizzare un
superconduttore con una temperatura critica pari a quella
dellambiente e il massimo che dal 1993 ad oggi si riusciti a fare
portarla ad un valore che oscilla fra i 133 K e i 138 K. Grazie ai
nuovi mezzi di raffreddamento, i quali presentano dei costi sempre
pi ridotti, si riusciti a portare il fenomeno della
superconduttivit nella vita di tutti i giorni o, quanto meno, ci si
sta provando. Infatti, le prime applicazioni riguardano soprattutto
il trasporto di energia elettrica a lunga distanza e senza
dispersioni consistenti, il campo medico, con lo sviluppo di
macchinari per risonanze magnetiche che lavorano su parti molto
circoscritte di un paziente senza che questultimo subisca danni,
oppure il trasporto di persone. Il treno a levitazione magnetica
che stato realizzato in Giappone una delle pi importanti
dimostrazioni che quella che sembra fantascienza pu diventare
scienza e, dunque, realt.