BENVENUTI AL CORSO DI DIDATTICA DELLA FISICA MODERNA Complementi di Fisica 1 PROGRAMMA: Il Corso di Didattica della Fisica Moderna si propone di illustrare la Fisica Moderna che parte dalla crisi della Fisica Classica alla Meccanica Quantistica passa per la Fisica Atomica e Molecolare. L’idea e’ di mescolare principi teorici con l’illustrazione di esperimenti in stretta collaborazione con il programma di Laboratorio di Fisica. Proprio per la necessita’ a volte di illustrare degli esperimenti, le lezioni (sia di Didattica della Fisica Moderna che di Laboratorio di Fisica) saranno tenute presso l’aula T1 della Sogene come da calendario il Lunedi’ 9:00-11:15 I DOCENTI: Anna Sgarlata (0672594406/4436 email: [email protected]) e Giovanni Casini 0672594770; email: [email protected] www.ldfm.uniroma2.it Questionario PROGRAMMA Introduzione al Corso: Gli esperimenti che provocarono la fine della Fisica Classica: Spettro delle lampade e Corpo Nero L’effetto Fotoelettrico e la misura di h La Diffrazione da elettroni La Fisica Atomica: da Democrito all’atomo di H Correzioni relativistiche spin dell’elettrone Ultima lezione: Lezione: Un seminario sulle frontiere della nanotecnologia. Test finale con breve presentazione PRIVILEGIARE L’ASPETTO STORICO E SPERIMENTALE per ovvi motivi si e’ tentati di affrontare lo studio della fisica moderna privilegiando l’aspetto teorico tuttavia come ormai e’ stato ampiamente dimostrato l’apprendimento e’ estremamente favorito quando si unisce la pratica teorica a quella sperimentale. Ovviamente nel caso della fisica moderna la produzione di esperimenti che si possono realizzare in ambiente scolastico e’ piuttosto complicata e limitata. Abbiamo quindi scelto di affrontare gli argomenti trattati privilegiando l’aspetto storico e mostrando, ogni qualvolta sia possibile, un esperimento E’ inoltre essenziale sottolineare l’estrema attualita’ di alcuni di questi argomenti/esperimenti nel campo della ricerca attuale Spesso GLI ESPERIMENTI DI IERI Lo sviluppo della meccanica quantistica non ci sarebbe stato se, all’inizio del secolo scorso, importanti esperimenti non avessero indicato la strada giusta alle moderne teorie quantistiche dimostrando che alcuni dati non potevano essere interpretati con le teorie classiche (es. Effetto Fotoelettrico, Corpo Nero, Esperimento di Rutherford, Stern & Gerlach) o non avessero addirittura dimostrato le teorie appena formulate (es. Frank&Hertz o Stern-Gerlach) GLI ESPERIMENTI DI OGGI Ancora oggi la ricerca nel campo della struttura della materia si basa su importanti esperimenti che cercano si ricavare le proprietà strutturali ed elettroniche della materia studiando l’interazione di un materiale con la luce/radiazione elettromagnetica (esperimenti di riflettività/Fotoemissione), con i neutroni (esperimenti di scattering recentemente applicati anche allo studio delle Belle Arti…), con gli elettroni (Spettroscopia elettronica sensibile alla superficie) Da dove nasce tutto quello che vedremo in questo corso???...Da una rivoluzione…. … LA RIVOLUZIONE NANOTECNOLOGICA da una rivoluzione, di cui ci occuperemo in queste lezioni, quella che ha portato alla crisi della Fisica Classica e alla nascita della Moderna Teoria Quantistica 650 Mbytes 1 Gbytes 1 Tera 1.44 Mbytes 100 bytes … oggi all’inizio del nuovo secolo stiamo vivendo una nuova rivoluzione, detta rivoluzione nanotecnologica, che ci ha portato in pochi anni dall’uso di pesanti/costosissimi calcolatori limitati in potenza di calcolo fino a potentissimi computer leggeri e economici (seminario dell’ultima lezione) Una premessa: ordini di gramdezza Prima di cominciare alcune premesse un po’ noiose ma essenziali… IMPORTANZA DEGLI ORDINI DI GRANDEZZA. LE UNITA” DI MISURA E DIMENSIONI DELLE GRANDEZZE FISICHE: UN NUOVO APPROCCIO Una premessa: ordini di gramdezza IMPORTANZA DEGLI ORDINI DI GRANDEZZA. La Fisica Classica in principio non e’ sbagliata ma e’ una approssimazione che funziona solo quando si osserva la natura su una opportuna scala di grandezze. Es la velocita’ non deve essere troppo grande o le energie non devono essere troppo piccole. Ma quanto grandi le velocita’ o quanto piccole le energie ? E’ importante che i ragazzi di abbiano una chiara percezione degli ordini di grandezza, Esempio: Quando l’energia e’ piccola? Bisogna riferirsi al valore della costante di Planck. Ma quanto vale in energia la gap del Si? E quanto vale la temperatura del sole? E l’energia Una premessa: ordini di gramdezza Esempio: Quanto valgono la carica e la massa di un elettrone? Gli elettroni furono scoperti da Thompson (1897) e misurati (carica e massa) da Millikan (1906). La carica di 1 elettrone e’= 1.6x10-19C La massa dell’elettrone e’ di 9.1x10-31kg Una premessa: la dimensione di un atomo Quali sono le dimensioni di un atomo? Un modo semplice di stimare le dimensioni di un atomo consiste nell’usare i dati (noti) del peso atomico e della densita’. E’ noto infatti che in una mole (il cui peso in grammi e’ proprio il peso atomico) ci sono un numero di Avogadro (misurato nel 1865) di particelle Es del Si Densita’ r=2.33g/cm3 Peso atomico PAT= 28.1 g 4 3 PAT 1 28.1 23 3 VAT Rat 2.0 10 cm 3 r N Av 2.33 6 10 23 o 3 V 8 AT R3 1.7 10 cm 1.7 4 NB: Si tratta solo di una stima approssimativa. Un valore piu’ rigoroso si puo’ ottenere usando la formula dell’atomo di Bohr (vedi lezione successiva) I raggi atomici sono poco dipendenti dal tipo di atomo e sono dell’ordine degli Å Una premessa: ordini di gramdezza LE UNITA’ DI MISURA E DIMENSIONI DELLE GRANDEZZE FISICHE: UN NUOVO APPROCCIO Viene a cadere la corrispondenza tra unita’ di misura e dimensione di una grandezza. Esempio: l’energia si puo’ identificare usando E ma anche lunghezza d’onda o la frequenza . Lo spettro elettromagnetico Una premessa: FREQUENZA E LUNGHEZZA D’ONDA In queste lezioni parleremo indifferentemente di Lunghezza d’onda e Frequenza … v Nel caso della luce v=c e c Per questoe’ indifferente parlare di lunghezza d’onda o frequenza essendo uguali a meno di una costante anche se inversamente proporzionali… Una premessa: lo SPETTRO ELETTROMAGNETICO LA LUCE VISIBILE: Il nostro occhio e’ sensibile solo alla parte dello spettro em detto spettro visibile che e’ compreso in una regione: In lunghezze d’onda tra 400 e 800nm ovvero tra 4000 e 8000Å o in frequenze •Tra 8x1014 e 4 x 1014 Hz LA LUCE VISIBILE: Una curiosita’: La sensibilita’ dell’occhio umano e’ massima in corrispondenza della lunghezza d’onda corrispondente al colore giallo emesso dal sole Una premessa: UNITA’ DI MISURA DELL’ENERGIA L’energia si puo’ misurare non solo in erg o Joule ma ad esempio anche in eV che e’ l’energia un elettrone accelerato dalla differenza di potenziale di 1V . E’ facile dimostrare che : E(eV) e(C) E J Esempio 1: l’energia dello stato fondamentale dell’atomo di idrogeno e’ 13.6eV= 2.17 10-18J Esempio2: 1 caloria=4.18 J= 2.6x1019 eV LA NASCITA DELLA FISICA MODERNA La quantizzazione e la fine del dualismo onda-particella “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov Alla FINE DELL’800… Il determinismo: Alla fine dell’800…La Fisica Classica deterministica era all’apice del suo successo per esempio in meccanica note le leggi del moto era possibile conoscere in ogni momento posizione e velocita’ di ogni punto materiale… Le leggi di Newton e le trasformazioni di Galileo permettevano di descrivere qualsiasi moto di una particella anche in sistemi in moto relativo Il dualismo onda-particella: Esistevano particelle dotate di massa, che obbedivano alle equazioni di Newton, e le onde, caratterizzate da lunghezza d’onda e frequenza che obbedivano alle leggi della meccanica ondulatoria. Verso l’unificazione: Maxwell, con le sue equazioni aveva operato il primo passo fondamentale verso la grande unificazione unendo, nelle sue equazioni, la spiegazione dei fenomeni elettrici e magnetici nonche’ dell’ottica Alla FINE DELL’800 Anche il meccanismo di assorbimento e di emissione delle radiazioni e.m. da parte della materia poteva essere spiegato assimilandolo al comportamento di un’antenna in grado di ricevere e trasmettere. Si sapeva che un dipolo elettrico oscillante avrebbe funzionato da antenna e che le cariche presenti nella materia avrebbero potuto funzionare come dipoli oscillanti I dettagli naturalmente dovevano ancora essere chiariti, ma non sembrava che ci fossero “a priori” dei problemi insormontabili. Il contesto storico alla fine dell’800 Le conquiste della fisica davano grande fiducia La prima unificazione: la meccanica di Newton La seconda unificazione: elettricità e magnetismo (Volta, Oersted, Faraday) La terza unificazione: le onde elettromagnetiche e l’ottica (Maxwell, Hertz) La formulazione matematica della meccanica di Lagrange- Hamilton e delle equazioni di Maxwell è molto elegante ed astratta. Il contesto storico alla fine dell’800 Emilio Segrè scrive: «Alla fine del XIX secolo la fisica classica aveva raggiunto una struttura mirabile. La meccanica era stata portata a maturità da Newton e sistematizzata da Lagrange in modo tale che sembrava la cima di ogni scienza e che ogni scienza dovesse essere ridotta a meccanica… …In ogni modo su questi due pilastri (Newton e Maxwell) sembrava si reggesse la macchina del mondo. Non per nulla Boltzmann, citando Goethe, aveva detto a proposito delle equazioni di Maxwell: “Fu un Dio che scrisse questi segni?” » Alla FINE DELL’800 Ma alla fine dell’800 alcuni esperimenti mostrano dei risultati non spiegabili dalla pura applicazione della Fisica Classica. Ogni volta che la tecnologia ha offerto all’uomo strumenti di indagine piu’ sofisticati e potenti l’intuizione di grandi scienziati ha permesso un grande, improvviso e inaspettato passo in avanti verso la comprensione dei fenomeni della natura. Alcuni dei PROTAGONISTI Albert Einstein (1879- 1955) Louis de Broglie (1892 - 1987) Max Planck (1858- 1947) Heinrich Rudolf Hertz (1858- 1947) Werner Karl Heisemberg (1901 - 1976) Erwin Schroedinger (1887- 1961 Robert Millikan (1868 - 1953) “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI 5.67 10 8W / m 2 K 4 La radiazione di corpo nero (1862) 2hc 2 1 Effetto4 Fotoelettrico (1887) I,T d d I T 5 Effetto e hc KT 1 T http://www.ifae.es/xec/phot2.html Compton (1923) Diffrazione Spettri di emissione/assorbimento Calore Specifico dei Solidi (1802) da elettroni GLI ESPERIMENTI: Gli spettri di emissione e assorbimento Spettri di emissione/assorbimento (1802) Dalla misura degli spettri di emissione e assorbimento si scopri’ che: Ogni elemento assorbe/emette delle righe specifiche a frequenze caratteristiche GLI ESPERIMENTI: Gli spettri di emissione e assorbimento Spettri di emissione/assorbimento (1802) Fraunhofer scopre che lo spettro emesso dal sole presenta delle righe caratteristiche che dipendono dagli elementi presenti nell’atmosfera (righe di Fraunhofer ) Per chi vuole: Didattica delle Scienza n. 264 del 2009 “ Idrogeno ed Elio atomi di storia” di M. Fanfoni, A. Sgarlata, M. Tomellini GLI ESPERIMENTI: Gli spettri di emissione e assorbimento Spettri J. di emissione/assorbimento (1802) J. Balmer (1825-1898) In particolare nel caso dell’idrogeno Balmer aveva dimostrato che la frequenza delle righe si poteva rappresentare con una semplice regola algebrica dove R=13.6eV ab R( 1 1 ) 2 2 na nb na 2,3... nb 3,4... GLI ESPERIMENTI: Gli spettri di emissione e assorbimento Spettri di emissione/assorbimento (1802) TRA POCO VEDREMO LO SPETTRO DI EMISSIONE DI UNA LAMPADA AL MERCURIO “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI: il corpo nero La radiazione di corpo nero (1862) CORPO NERO Esperienza: da un corpo solido freddo non percepiamo alcuna emissione, ma un corpo caldo emette radiazione em sottoforma di calore (dovuta al moto vibrazionale delle cariche). Il massimo della radiazione emessa si ha per una frequenza (lunghezza d’onda) che varia o meglio cresce con la temperatura. Al crescere della temperatura infatti il corpo comincia a diventare luminoso e a cambiare colore Il colore della luce Lampadine fotografate con i parametri (diaframma e tempo) indicati in ogni riquadro.L’effetto di differente luminosità complessiva è dovuto alla legge di Stefan-Boltzmann per un fattore (2,54)4=42, ma anche al fatto che l’emissione alle temperature più basse è quasi tutta nell’infrarosso e sfugge alla nostra vista così come sfugge alla sensibilità del sensore CCD della macchina fotografica. T = 1060 K f = 7,3 T = 1/250 s T = 1530 K f = 7,3 T = 1/250 s T = 2159 K f = 7,3 T = 1/250 s Università di Roma Tor Vergata - Laboratorio per la Didattica della Fisica e la Divulgazione Scientifica T = 2690 K f = 7,3 T = 1/250 s GLI ESPERIMENTI: IL CORPO NERO La radiazione di corpo nero (1862) Se si calcola la radiazione emessa da un corpo nero usando i principi della fisica classica si ottiene (curva verde) un andamento che si accorda al risultato sperimentale solo per piccole frequenze mentre diverge per grandi frequenze: la CATASTROFE ULTRAVIOLETTA. Piu’ in dettaglio…. CORPO NERO Il numero di onde stazionarie in una cavita’ cubica di lato L e con lunghezza d’onda compresa tra [, +d,] e’ : r 8 4 8 2 E 3 E r c Classicamente E Ee E dE 0 E e dE d ln d e 0 E dE KT 0 La CATASTROFE ULTRAVIOLETTA GLI ESPERIMENTI: IL CORPO NERO La radiazione di corpo nero (1862) Come spiegare i dati dell’esperimento? CON LA QUANTIZZAZIONE DI PLANCK h E nh E e h KT 8 2 h r 3 h c 1 e KT 1 CORPO NERO: IL PIROMETRO OTTICO GLI ESPERIMENTI: L’EFFETTO FOTOELETTRICO Effetto Fotoelettrico (1887) Nel 1887 Hertz dimostro’ che e’ possibile estrarre cariche negative da un metallo investito da una radiazione em di frequenza “abbastanza” alta “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Effetto Fotoelettrico (1887) La Fisica Classica non riusciva a dimostrare due fatti evidenti nell’esperimento: 1. Il fatto che l’emissione fosse istantanea 2. il fatto che l’energia cinetica degli elettroni emessi non dipendesse dall’intensita’ della sorgente della radiazione incidente Tra poco noi cercheremo di riprodurre l’effetto fotoelettrico evidenziando i risultati dell’esperimento eseguito da Hertz “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Effetto Fotoelettrico (1887) Una nota: Ancora oggi l’effetto fotoelettrico e’ alla base di uno degli esperimenti piu’ efficaci per studiare la struttura elettronica dei materiali NEL 1921 ALBERT EINSTEIN FU INSIGNITO del premio Nobel con la seguente motivazione: Ad Albert Einstein, per i suoi servizi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell'effetto fotoelettrico GLI ESPERIMENTI: L’EFFETTO COMPTON Effetto Compton (1923) COMPTON aveva inviato un fascio di fotoni incidenti di lunghezza d’onda inc contro un bersaglio di grafite e aveva misurato dopo l’interazione un fascio di fotoni diffusi ad un angolo q di lunghezza d’onda diff<inc piu’ un elettrone e- L’EFFETTO COMPTON p0 p1 cosq pcos p02 p12 2p0 p1 cosq p2 p1senq psen E 0 mc E1 m c p2 c 2 T2 m c p2 c 2 4 2 2 2 4 1/ 2 2 2 1/ 2 mc 2 E 0 E1 c p0 p1 h p GLI ESPERIMENTI: L’EFFETTO COMPTON Effetto Compton (1923) COMPTON misuro’ la differenza di lunghezze d’onda dei fotoni incidenti e diffusi trovando : Compton(1 cosq ) Dove COMPTON = 2.14x10 -12 m Tale formula si dimostra facilmente applicando le leggi dell’urto tra due corpi materiali ai fotoni E” LA FINE DEL DUALISMO ONDA/PARTCELLA “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Diffrazione da elettroni Classicamente esistevano: -le particelle dotate di massa la cui interazione e’ regolata dalla conservazione della quantita’ di moto e dell’energia cinetica - le onde caratterizzate da una lunghezza d’onda e la cui interazione e’ regolata dai fenomeni di interferenza/diffrazione “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Diffrazione da Raggi X Bragg padre e figlio (premi Nobel nel 1915) dimostrarono che illuminando con un fascio di raggi X un cristallo si ottiene una figura di diffrazione da cui si puo’ ricavare la struttura cristallografica del solido Un esempio Figura di diffrazione da elettroni di un campione di grafite “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Diffrazione da elettroni Se si illumina un campione con un fascio di elettroni si ottiene una figura di diffrazione analoga a quella che si ottiene con i raggi X. In pratica gli elettroni mostrano fenomeni di diffrazione proprio come le onde UN’ALTRA PROVA SPERIMENTALE CHE SANCISCE LA FINE DEL DUALISMO ONDA/PARTICELLA “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, Gamov GLI ESPERIMENTI Diffrazione da elettroni Una NOTA: ancora oggi uno degli esperimenti che si fa nei laboratori di ricerca per stabilire la ricostruzione delle superfici e’ basata sulla diffrazione da elettroni lenti con il LEED (Low Energy Electron Diffraction) Immagine LEED e topografia misurata con microscopio a scansione tunnel di una superficie di Si(111) 7x7 GLI ESPERIMENTI Il calore specifico dei solidi Classicamente: Legge di Dulong e Petit (1819) cV 3R Verso la fine dell’’800 l’esperimento dimostro’ che diversi solidi avevano un calore specifico non era costante ma diminuiva al diminuire della T Piu’ specificatamente si dimostro’ che il calore specifico dei solidi tende a 0 quando T tende a 0 con c c T un andamento specifico lim c T 0 proporzionale a T3 T 0 Come spiegarlo? Ci penso’ Einstein con la Quantizzazione dell’energia I TRENTA ANNI CHE SCONVOSERO LA FISICA Nel 1905 un fisico: Albert Einstein manda alla rivista Annalen der Physik 4 articoli Marzo “E=h “: l’effetto Fotoelettrico Maggio “ Il moto browniano “ Giugno “La Teoria della Relatività Speciale” Settembre “E=mc2 “ I TRENTA ANNI CHE SCONVOSERO LA FISICA Sarebbe impossibile illustrarvi in dettaglio tutti gli esperimenti in una sola lezione. Abbiamo quindi scelto di farvi vedere in dettaglio: 1.Lo spettro delle lampade in particolare di una lampada al Mercurio e in piu’ qualcosa sul CORPO NERO… LO SPETTRO DELLE LAMPADE SCHEMA: 1.LAMPADA 2.LENTE 3.FENDITURE 4.LENTE 5.RETICOLO LO SPETTRO DELLE LAMPADE COSA SI VEDE? 5780 5461 4358 4046 3650 2967 2653 2536 Å principali righe dello spettro di Hg 5780 in Angstrom 5790 5769 ( 1Å=10-8cm ) doppietto giallo 5461 verde 4358 blu 4046 violetto 3650 UV 2967 2653 2536 SE SI RIDUCE LA FENDITURA doppietto del SODIO 5890 5896 Å LO SPETTRO DELLE LAMPADE COSA SI VEDE? LO SPETTRO DELLE LAMPADE COME SI PUO” VEDERE L’ULTRAVIOLETTO? SFRUTTANDO IL FENOMENO DELLA FLUORESCENZA CHE VIENE AGGIUNTA COME ADDITIVO NEI FOGLI DI CARTA BIANCHI LO SPETTRO DELLE LAMPADE COME SI PUO’ MISURARE LA LUNGHEZZA D’ONDA EMESSA DALLA LAMPADA? USANDO LO SPETTROSCOPIO A RETICOLO COME FUNZIONA? Spettrometro a reticolo (in trasmissione) reticolo lente 2 fenditura lente 1 sorgente schermo Università di Roma Tor Vergata ― Corso di laboratorio di Fisica SPETTROSCOPIO A RETICOLO IN RIFLESSIONE reticolo di diffrazione E’ definito dal numero di righe per unita’ di lunghezza (=passo del reticolo) . Maggiore e’ il numero di righe maggiore la sua capacita’ di disperdere le diverse lunghezze d’onda reticolo di diffrazione in riflessione 1 d sin q1 sin q 2 k 2 q 1 q 1 2 q 1 ( 2 q ) 2 dsinq 2 dsin q 2 a d 1 d sin q1 sin q 2 k q 1 q 2 a d Per k=0 la relazione e’ soddisfatta per q1=q2 per ogni Passano tutte le ovvero la luce e’ bianca Per k=1 ogni soddisfa un particolare valore di (sinq1-sinq2) Per cui si ottiene la dispersione della luce Dalla misura della distanza noto il passo del reticolo si puo’ ricavare la della riga Fenditura L1 L2 Sorgente Reticolo λ = 5780 Å λ = 5461 Å λ = 4358 Å Schermo k = -1 k=0 k=1 SE SI METTONO DEI FILTRI SI POSSONO SELEZIONARE I DIVERSI COLORI. ANCHE L’ORDINE ZERO IN QUESTO CASO SARA’ COLORATO Esperimento n. 4: La dispersione della luce MISURA DELLE LUNGHEZZE D’ONDA Abbiamo caratterizzato le righe emesse da questa lampada al mercurio perche’ useremo proprio tale sorgente per studiare la prossima volta L’EFFETTO FOTOELETTRICO. DIMOSTREREMO CHE PER AVERE EFFETTO FOTOEETTRICO USANDO LO ZINCO SONO NECESSARIE LE RIGHE A PIU’ ALTA ENERGIA CIOE’ LE DUE RIGHE A 2536Å E 2657Å EFFETTO FOTOELETTRICO LA PROSSIMA LEZIONE NOI FAREMO L’ESPERIMENTO DI HALLWACHS Bibliografia oUna lettura interessante “I 30 anni che sconvolsero la Fisica”, G. Gamov oUna lettura consigliata Dalla rivista Didattica delle Scienza n. 264 del 2009 “ Idrogeno ed Elio atomi di storia” di M. Fanfoni, A. Sgarlata, M. Tomellini