Introduzione Sperimentale ad alcuni concetti di Fisica Moderna
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Introduzione ad alcuni concettidi Fisica Moderna
L. MartinaDipartimento di Fisica - Università del Salento
e Sezione INFN - Lecce
Lecce, 7/11/2008
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- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - --Come funziona?
Perché isolante e trasparente?
Perché malleabilee conduttore?
Come si trasforma la luce in forza vitale?
La Natura è il Mondo dei Quanti
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I concetti del Mondo dei Quanti non possono esserecostruiti sulla sola osservazione e interpretazione deifenomeni e delle evidenze sperimentali dirette(macroscopiche)
Micro-Macro Fisica
Interazione Radiazione – Materia a livello microscopicoIl “mondo esterno” è necessariamente “classico”, La coerenza interna della Fisica richiedeuna forte revisione critica dei concetti della Fisica Classica. Il mondo dei fenomeni fisici non è lo stesso di prima!
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http://www.microscopy-uk.org.uk/dww/home/hombrown.htm
In questo articolo dovremo mostrare che, ….,particelle di dimensioni visibili al microscopiosospese in un fluido, in seguito al moto molecolaredel calore possono descrivere moti osservabili.
A. Einstein, Ann. d. Phys., 17 (1905) 549
Coefficiente di diffusione
Molecole e Moto Browniano
mod
dNRTD
A πη61
=
NA = Numero di Avogadrod = raggio della particellaη = coeff. di viscosita’
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Moto Browniano e Blu del Cielo
0.1 µm 0.6 µm 1.2 µm
Eprr α= ( ) 4
22
20
2cos1
λαθ+=
rII xh
b eII −= 0
( )n
h 4
22 13
32λ
µπ −=
( ) xhab eII +−= 0Iu
I0
rivelatore
sorgente
λ= 520 nm, a= 4.0 10-4 cm-1, h= 1.3 10-4 cm-1
λ= 650 nm, a= 27.4 10-4 cm-1, h= 0.5 10-4 cm-1Acqua dist.
rnu eII γτξ −= 0
J. Perrin: “ Les Atomes“, (Paris, 1914)
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La scoperta dell’elettrone
“We have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and the same kind; this matter being the substance from which all the chemical elements are built up."
(J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London Phil. Mag. J. Science, V, Oct.1897 )
http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm
=me
B
-1.758 820 12(15) x 1011 C kg-1
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Misuriamo e/m
tubo di Wehneltbobine di Helmholtz , alimentatori, voltimetri, amperometrocavetti di collegamento
rmvevB
2
=
http://web.uniud.it/cird/secif/mec_q/mq.htm
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L’esperienza di Millikan
ηνπ rFvisc 6=
e = 1.602 176 53(14) x 10-19 C
vrgr ηπρπ 634 3 =
gv
UdQ
ρηπ2
18 33
=
http://www.aip.org/history/gap/Millikan/Millikan.html
Quantizzazione della carica !!!
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1.602 176 487 x 10-19 C
Standard uncertainty 0.000 000 040 x 10-19 C
Relative standard uncertainty 2.5 x 10-8
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La Scopertadella Struttura Atomica
Incoerenza con la Ficica Classica!!
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Formula di Balmer
Modell Atomico di Bohr
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L’effetto Fotoelettrico
Hertz, 1887
Quarzo SI
Gesso SI
Vetro Ridotta
Legno Nulla
Lenard1899 - 1902
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Relazioni caratteristiche dell’effetto fotoelettrico
Frequenza fissata
•Solo luce con frequenza > della frequenza di soglia produce una corrente•La corrente è attivata in tempi < 10-6 s•L’azione della luce incidente è “puntuale”•La corrente è proporzionale all’intensità luminosa incidente•Il potenziale di arresto è proporzionale alla frequenza della luce incidente
Incoerente con la Fisica Classica !!!
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E = w + eVr.
E = hν Einstein – Planck
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Misura della costante di Planck
hν = eVdiodo + cost GaAs1-x Px
1.43 eV per x=0 2.26 eV per x=1;
eVd = hν + Q
Q: calore, altre transizioni non luminoseVd: d.d.p. effettivamente applicata alla giunzione pn
Vd = Vdiodo - Rs Id
λ(µm) ≈ hc/Eg ≈ 1.24/Eg(eV) 850 > λ > 550 nm
ILED1 = ILED1 --- Q(ILED1) = Q(ILED2)
ν = (e/h ) Vd + cost
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e/h = 2.418×1014 s-1V-1.
e/h = 2.418×1014 s-1V-1.h /e = (3.99 ± 0.22) × 10-15 V s
h = (6.39 ± 0.35) × 10-34 J s.e = 1.6021 × 10-19 Coulomb
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( ) T2ννε ≈
Spettro di Corpo Nero
Ipotesi di Planck dei Quanti(1900)
Ipotesi di Plank (1900): per ogni data frequenza, il sistema materiale può scambiare con la radiazione multipli interi di un quanto fondamentale
νhE =∆
1=inc
ass
EE ( )TfPemiss =
SBT σλ =maxL.Wien
( )1
3
−
≈Tk
h
Be
hν
ννε
( ) =νε
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¡ Fotoni !Einstein (1905)
λν hphE == ,
0
420
222
==−
fotonemcmcpE
cEp =
Elettromagnetismo Classico
RelazioniPlanck - Einstein
InvarianteRelativistico
… e la DIFFRAZIONE !?!
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( )θλλ cos1−=−′cm
h
el
Effetto Compton
(1923)
•Cons. dell’energia
•Cons. Quantità di moto
KEE += 'elXX ppp rrv += '
vmphphp elelXX γλλ
=== ,'
',
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Diffrazione di luce e di particelle
Elettronisu Au
policristallino
Diffrazione di BraggNeutroni termici su
un monocristallo di NaClRaggi X su
un monocristallo di NaCl
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Diffrazione di singolo fotone
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Elettrone su doppia fenditura
http://physicsweb.org/articles/world/15/9/1/1
P.G. Merli, G.F. Missiroli, G. Pozzi, Am. J. Phys. 44 (1976 ) 306-7.
http://www.hqrd.hitachi.co.jp/em/doubleslit.cfm
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• La Fisica possiede* una “costante di scala” : – il quanto d’azione
h = 6.626068 × 10-34 m2 kg / s determina la granularità intrinseca della natura,• Relazioni di Planck – Einstein – de Broglie– proporzionalità fra grandezze descrittive di un
oggetto quantistico
.
.
Grandezze“corpuscolari”
Grandezze“ondulatorie”
Complementarietà onda-corpuscolo
* Altre scale: c = 299 792 458 m s-1
Relatività
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Noi sappiamo quale è il comportamento degli elettroni e della luce. Ma come potrei chiamarlo? Se dico che si comportano come particelle, dò un'impressione errata. Ma anche se dico che si comportanocome onde. Essi si comportano nel loro proprio modo inimitabile chetecnicamente potrebbe essere chiamato il
"modo quanto meccanico".Si comportano in un modo che non assomiglia a nulla che possiate
aver mai visto prima. La vostra esperienza con cose che avete vistoprima è incompleta. Il comportamento delle cose su scala molto piccola è
semplicemente diverso.
(R. P. Feynman)