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LABORATORIODIFISICAMODERNA
PLS- 2018-19-1L.Martina
DipartimentodiFisicaUniversitàdelSalentoSezioneINFN- Lecce
1911 Solvay Conference, Brussels
Einstein
Poincaré
Langevin
M.Curie
KamerlingOnnes
Rutherford
Perrin
Wien
Jeans
NernstBrillouin Solvay Lorentz
Warburg
Goldschmidt
Rubens
PlanckSommerfeld
deBroglie
LindemannKnudsen
Hasenohrl
HosteletHerzen
1927 Solvay Conference, Brussels
MateriaeRadiazione
4- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - --Comefunziona?
Perchéduroetrasparente?
Perchémalleabileeconduttore? Comesitrasforma
laluceinforzavitale?
Qualel’originedellasuaenergia?
FisicaClassica
5
( ) 0=F BchiusaS
!
( )dt
BdldE S
!!!
1
1
g
g
F-=×ò
( )EdtdIldB SS
!!!222
00 ggeµ
gF+=×ò
Ogni corpo persevera nello stato di quiete odimoto rettilineo uniforme,ameno che nonsia costretto acambiarlo acausa di FORZEadesso impresse (principiod’inerzia)
Ilcambiamento dello stato di moto èproporzionale alla forza impressa lungo lalinea retta di applicazione
Adogni azione corrisponde una reazione ugualeinintensità econtraria inverso
amF !!=
2112 FF!!
-=
Particelle Campi
Φ#$%&'() 𝐸 = 𝑄-./.12#$%&'()
𝜖4Φ L. Gauss per E
L. Gauss per B
L. Faraday - Neuman -Lenz
L. Ampére - Maxwell
I.Newton
Termodinamica• Principiozero:seicorpiAeBsonoentrambiinequilibriotermicoconunterzocorpoC,alloralosonoanchefraloro.
• Primoprincipio ( conservazionedell'energia):lavariazionedienergiainternadiunsistemae’lasommaalgebricadelcaloreedellavoroscambiaticonl’ambiente
• SecondoPrincipio:inunciclo termodinamico• (Kelvin- Planck)e’impossibile convertire completamente inlavoro il calore assorbito dalserbatoio “caldo”
• (Clausius) e’impossibile farpassare unicamente delcalore dalserbatoio “freddo”aquello“caldo”
( 0)L >( 0)Q >
( 0)Q < ( 0)L <U Q LD = -
QL
Tc
TfQ
QTc
Tf
“pro-”vs”contro-”atomismoPROCongr.dei Chimici,Karlsruhe(1860):definizione di molecola edi atomo (disaccordo)J.C.Maxwell:“Benche’nel corso dei tempisi siano verivicate catastrofi …lemolecole…continuano adesistere oggi esattamente comevennero create:perfette innumero,misura epeso“(1873)W.Thomson:“E’unfatto assodato che ungasconsista di molecole inmovimento ….Ildiametro di una molecola digasnonpuo’essere inferiore a 2x10-9 cm.”(1870)L.Boltzmann:“…dareuna dimostrazione deltutto generale della IIlegge della teoria delcalore,comescoprire ilteorema meccanico adessa corrispondente.”(1866)“Iproblemi della teoria meccanica delcalore sono …problemi diteoria della probabilita’.”(1871)
CONTROM.Planck:“Lapiena validita’delIIprincipio…e’incompatibile conl’ipotesi di atomi finiti”(1883)W.Ostwald:”L’asserzione che tutti i fenomeni …sono riducibili afenomeni meccanici …e’sbagliata.….Tutte leequazioni della meccanica ammettono l’inversione temporale …Quindi …unalbero potrebbe diventare di nuovogermoglio eseme,una farfalla bruco eunvecchio bambino.”E.Mach:“None’confacente alla fisica considerare mutevoli strumenti ,quali molecole eatomi,alla stregua direalta’sottostanti ai fenomeni.”(1895)
Termodinamica eStatistica
lnS k P c= +
V0
V1Gasideale costituito da Nmolecole all’equilibrio termico
1 0 1
0 0
,V V Vp qV V
-= =Probabilita’perlasingola molecola
di trovarsi inV1
( ) ( )!
! !n N nNP n p q
n N n-=
-Probabilita’pernmolecoledi trovarsi inV1 eN-nall’esterno
.5,50
p qN= ==
Ilsistema tende almacrostato di massima entropia,cioe’aquello che possiede il numero massimo dimicrostati
Principiodi Boltzmann
L.Boltzmann
Inquesto articolo dovremo mostrare che,….,particelle di dimensioni visibili almicroscopiosospese inunfluido,inseguito almoto molecolaredelcalore possono descrivere moti osservabili.
A.Einstein,Ann.d.Phys.,17(1905)549
Coefficientedidiffusione
MolecoleeMotoBrowniano
dNRTDA ph6
1=
NA =NumerodiAvogadrod=raggiodellaparticellah =coeff.diviscosita’
https://www.youtube.com/watch?v=Xscn-QSmFo4
68x1022 permezzodiemulsionianalogheagas;62x1022 “emulsionianaloghealiquidi;60x1022 “fluttuazioniemulsioniconcentrate;64x1022 “motoBrownianotraslazionale;65x1022 “motoBrownianorotazionale;75x1022 “opalescenzacritica;65x1022 “azzurrodelcielo;64x1022 “radiazionedicorponero;61x1022 “gocciolineionizzatesecondoMillikan;62x1022 “decadimentoradioattivo
Realta’dellemolecoleJ.Perrin:Nobel1926
NA
“Lateoriaatomicahatrionfato.Ancorapocotempofaassainumerosi,isuoiavversari,alfineconquistati,rinuncianounodopol’altroasfidechefuronoalungolegittimeesenz’altroutili”J.Perrin“LesAtomes“,(Paris,1913)
NA= 6.022 141 79 x 1023 mol-110
3 ˆ10 1atomoatomo
A atomo
Ml m AN d
-» » =
J.Perrin
Lascopertadell’elettrone
“Wehaveinthecathoderaysmatterinanewstate,astateinwhichthesubdivisionofmatteriscarriedverymuchfurtherthanintheordinarygaseousstate:astateinwhichallmatter...isofoneandthesamekind;thismatterbeingthesubstancefromwhichallthechemicalelementsarebuiltup."
(J.J.Thomson,"CathodeRays,"TheLondonPhil.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
J.J.Thomson
L’esperienzadiMillikan
12
http://www.aip.org/history/gap/Millikan/Millikan.html
hnp rFvisc 6=
e= 1.602 176 53(14) x 10-19 C
PSSC:FISICA,vol.2,Cap.28-4
43πr3ρg = 6πrηv
qE =mg
E = Vd
q = 18π dV
η3v3
2ρg
R.Millikan
13
012
2
22 =
¶¶
-Ñtf
cf
Onde Hertziane (1887)
OndeElettromagnetiche
eLuce
NONINVARIANTESOTTOTRASFORMAZIONIDIGALILEI
R.Hertz
G.Marconi
EsperienzadiMichelson eMorley
14Risultato: Nessun vento di etere osservato!
Misurare le ipotetiche proprietà dell’Etere confrontando la velocità della luce lungo due direzioni ortogonali, una delle quali solidale con la con quella di moto della Terra
VT
Sorgente
l1
l2
Percorso 2
Percorso 1
Osservatore
Frangediinterferenza
Spostamentodelle frange previsto
Spostamentodelle frange osservato
A.A.MIchelson
E.W.Morley
15
IpostulatidellaRelativitàdiEinstein
1. PostulatodellarelativitàLeleggidellafisicasonolestesseintuttiisistemidiriferimentoinerziali.Nonesisteunsistemadiriferimentoprivilegiato
2. PostulatodellavelocitàdellaluceLavelocitàdellalucenelvuotohalostessovalore c intutteledirezionieintuttiisistemidiriferimentoinerziali.
C=299 792 458m/s
A.Einstein
Spettro delle sorgenti luminose
16
Solidi:Spettro continuo
Gas:Spettro discretoSpettro diHnel visibile
Irraggiamento
«perognisostanzailcomportamentorispetto
all'emissioneeall'assorbimento,aparitàditemperature,èilmedesimo»
Radiatore PerfettoCORPONERO
Assorbitore PerfettoCORPONERO
e
e=atrasmissione
riflessione
assorbimento
emissione
IIPrincipiodellaTermodinamica
( )TfPemiss =
G.R.G.Kirchhoff
Spettro dicorpo nero
LeggediWien
KmT 03max 10898.2 -´=l
LaquantizzazionediPlanck
nhE =D
20
Ipotesi di Planck (1900): per ogni data frequenza, il sistema materiale può scambiare con la radiazione multipli interi di un quanto fondamentale
StatisticaBoltzmann
( )1
3
-
»TkhBe
hn
nneΔE = hνhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
≈ ν 2Tε ν( ) =
M.Planck
L’effetto Fotoelettrico
21
Quarzo SI
GessoSI
VetroRidotta
LegnoNulla
Lenard1899- 1902
Hertz,1887
Relazionicaratteristichedell’effettofotoelettrico
•Sololuceconfrequenza>frequenza disoglia produceunacorrente•Lacorrenteèattivataintempi<10-6 s•L’azione“puntuale”dellaluceincidente•Proporzionalita’ tracorrenteeintensitàluminosaincidente•Ilpotenzialediarresto èproporzionaleallafrequenzadellaluceincidente
Frequenzafissata
IncoerenteconlaFisicaClassica!!!
L’idea diEinstein
Nel 1905AlbertEinsteinassunse l’ipotesi diPlanckche laradiazione incidente è costituita dapacchetti (“quanti”)dienergia
E=hvdovev e`lafrequenza eh e`una costante (costante diPlanck).Nella fotoemissione,uno diquesti quanti dienergia viene assorbito daunelettrone delfotocatodo,ed emesso conenergia
E =hv –Wdovel’energia minimanecessaria adestrarre l’elettrone,chiamata“lavoro diestrazione “,si è indicata conW.
Catodo
Elettroni
Luce
(frequenza > soglia fotoelettrica)E =hn –W
DVF = −eE
E
Affinché l’elettrone emesso riesca a raggiungere l’anodo a potenziale di arrresto pari a - DV, rispetto al catodo emettitore, deve possedere una energia a E = e DV.
E
e DV =E =hn –W
Potenzialediarresto
DV =h/en –W/e
ln hphE == ,
Planck Einstein
¡Fotoni!
0
420
222
==-
fotonemcmcpE
cEp =
ElettromagnetismoClassico:leggedidispersioneimpulso/energia
RelazionidiPlanck - Einstein
InvarianteRelativisticoEnergia/impulso
…elaDIFFRAZIONE!?!
𝝀𝝂 = 𝒄
Einsteininterpreta Ipacchetti dienergia luminosacomeparticelle dimassa ariposo nulla,che possono viaggiare soloalla velocità della luce.
Effetto Compton
•Cons.dell’energia
•Cons.Quantitàdimoto
KEE += '
elXX ppp !!" += 'vmphphp elelXX g
ll=== ,
'',
( )qll cos1-=-¢cmh
el
cl n =A.Compton
27
ElettromagnetismoClassico
Diffrazione
a sinθ = nλ
Diffrazione di luce e di particelle
DiffrazionediBraggRaggi X su
un monocristallo di NaClNeutroni termici su
un monocristallo di NaCl
Elettronisu Au
policristallino
Particelle– ondesuduefenditure
Diffrazione disingolo fotone
Elettronesudoppiafenditura
http://physicsweb.org/articles/world/15/9/1/1
P.G.Merli,G.F.Missiroli,G.Pozzi,Am.J.Phys. 44(1976)306-7.
https://www.youtube.com/watch?v=jvO0P5-SMxk
Lpotesi oh . de Broglie 119241
Simmetnia in Nature
Onate → Parti alle.
Parti alle → On ok ?
Rel.
Planck - Einstein
de Broglie pustule {¥¥ gnuantmitgg.hr?Iae
1) Inah iilsignificotofin.co oh. toti anole ?
2) A quote equationsooblisfano ?
E. Schrodinger ( 1926)
Fissoto E ( pines . F =pI ) → t -
- hp → be→ eilkx - went )
Lnanto role alk ) ? le
• LaFisica possiede una*“costante discala” universale:il quanto dʼazione
h=6.626068× 10-34 m2 kg/sdetermina lagranularità intrinseca della natura,
• Complementarietà eRelazioni diPlanck– Einstein– deBroglie:proporzionalità fra grandezze complementari diunoggetto quantistico
.Grandezzecorpuscolari Grandezze
“ondulatorie”
Velocitàdellaluce•Altrescaleuniversali:• c= 299792458ms-1• a =0.00729735•MPlanck =1.3x1019 GeV MassadiPlanck
Cost.StrutturaFine
ħ =h/2p
Complementarietà onda-corpuscolo
Onde eProbabilita’
(E,p) (w, l)
Y Statodelsistema
1 2a bY + Y =Y GliStatisisommano
Ψx,t( )
2 Densita’di Probabilita’di presenza in
x
x
osservabile !!!
Ingenerale:lostato di unsistema e’l’insieme di delle distribuzionidi probabilita’dei possibiliOSSERVABILIp E,
L,S ,…
Osservabili incompatibiliLedistribuzioni diprobabilita’didifferenti osservabili dinamiche possono essere correlateeingenerale non possono essere scelte indipendentemente leune dalle altre
p→ p Ψ e−i/p⋅x
( )=cos sin ie iq q q+
Assoluta precisioneinmomento Assoluta indeterminazione
inposizione
Dispersioneinmomento
localizzazioneinposizioneΨ ψi e
−i/ pi ⋅x∑
PrincipiodiindeterminazionediHeisenberg
Comeesempio,Dx eDpx rappresentanoleincertezzeintrinsechenellemisuredellecomponentidirediplungox.
dove 2 (principio di indeterminazione di Heisenberg )
x
y
z
x p hy pz p
pD ×D ³ =D ×D ³
D ×D ³
h hh
h
/2
/2
/2
EquazionediSchroedinger
2
2md 2Ψ
dx2+ E −V x( )!"
#$Ψ=0
d 2ψdx2
+ 2m2
mv2
2
!
"#
$
%&ψ=0→ d 2ψ
dx2+ p
!
"#
$
%&
2
ψ=0
Unaparticellainmotolungol’assexattraversounaregioneincuileforzeagentisullaparticellaleconferisconoun’energiapotenzialeV(x)siha:
incuiEèl’energiameccanicatotaledellaparticellainmoto.
SeV(x)ènullo,l’equazionedescriveunaparticellalibera,
ψ e±i/p⋅x
EquazionediSchroedinger
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Unaparticellainmotolungol’assexattraversounaregioneincuileforzeagentisullaparticellaleconferisconoun’energiapotenzialeV(x)siha:
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SeV(x)ènullo,l’equazionedescriveunaparticellalibera,
ψ e±i/p⋅x
Potenziali aPozzo Infinito
YEH - Ito.. M
t
amorPn = fkn denominationohlheqnantitehnantizzezi.nu\ In dinoto
alienage p=2mh- IT. .
-
Lmind =
d
a= Pax nine - o F- n 'T I=¥I=n 'T nemo ,
EffettotunnelNellaMeccanicaQuantisticaperunaparticellainmotoconenergiatotaleE<V0 esisteunaprobabilitàfinitachel’ondadiprobabilita’ penetriattraversolabarrieraegiungadall’altraparte.Questofenomenoprendeilnomedieffettotunnel.
( )22
2
8 bL bm U E
T e bh
p- -» =
Coefficienteditrasmissione
Microscopio adEffettoTunnel
G.Binnig,H.RorherNobel1986
Potenzadeltransistor
Atomifreddiecomputerquantistici
Microscopio aForzaAtomica
45
TassonomiadelQuantumComputer
• Ottici:CavitàQED,OtticaLineare;• Atomici:Trappoleioniche,Reticoliottici;• StatoSolido:SpinNucleari,SpinElettronici,QuantumDots;
• Superconduttori:CoppiediCooper,quantidiflussomagnetico,Squid
D.Wineland,NIST
Grazie