giovedì 26 luglio 2012

Prof., Mi spiega Che Cos’è La Meccanica Quantistica?

Dalla Rete
Si può spiegare che cos’è la Meccanica Quantistica ad un ragazzino 13-14enne?


Un’impresa davvero ardua, direi quasi una sfida.


Io ci provo mediante un improbabile dialogo immaginario con Marco, un altrettanto immaginario 13-14enne curioso.


Vediamo che cosa ne viene fuori!

*****


Marco: Prof, mi spiega che cos’è la Meccanica quantistica?


Prof: La Meccanica che?


Marco: Q-u-a-n-t-i-s-t-i-c-a!


Prof: Ma dove ne hai sentito parlare?


Marco: Su feisbuc!


Prof: Su feisbuc???


Marco: Proprio così. Parlavano di fotoni, quanti, Planck, Schroedinger, Dirac, Heisenberg, Einstein, e altre cose di cui non ho capito un bel nulla.


Prof: E ci credo! Sono cose difficili per i grandi, figuriamoci per un 13enne, vabbé quasi quattordicenne, benché curioso, come te!!!


Marco: La prego, prof, sono tutto orecchi!


Prof: E va bene, ci provo, ma non ti assicuro il risultato, ovvero che capirai o per meglio dire che riuscirò a farti capire…Cominciamo dal termine “Meccanica” che vuol dire semplicemente “Fisica”. C’è Fisica e Fisica! Ad esempio Classica e Quantistica, gli ambiti che ci interessano in particolare. La Fisica Classica fa capo a Isaac Newton, si chiama infatti anche Meccanica Newtoniana. Ricordi? Ne abbiamo parlato quando abbiamo trattato i principi della Dinamica classica, appunto.


Marco: Sì, sì, ricordo! Il principio di inerzia, F= m x a, il principio di azione e reazione…E poi il prisma di Newton e la dispersione della luce, e poi anche la diffrazione della luce che abbiamo osservato sul CD.



Un prisma separa la luce nei colori che compongono,  lo spettro visibile.
Da Wikipedia.

Prof: Bravo! Vedo che hai una buona memoria. Ti ricorderai, allora, anche dello spettro visibile della luce, ovvero lo spettro elettromagnetico che cade tra il rosso e il violetto, includendo tutti i colori percepibili dall'occhio umano. Ebbene, tra  la fine del XIX secolo e l'inizio del XX alcuni risultati sperimentali misero in discussione la completezza della Meccanica newtoniana. In particolare, l'insieme delle righe spettrali, ottenute dall'analisi della luce emessa da gas incandescenti o da gas sottoposti a scarica elettrica, era in disaccordo con il modello atomico di Ernest Rutherford. Abbiamo studiato anche questo, ricordi?


Marco: Certamente! Il modello atomico di Rutherford non è quello planetario, in cui si immagina siano presenti un nucleo  atomico e gli elettroni che ruotano intorno ad esso, come i pianeti del sistema solare attorno al sole?


Modello atomico di Rutherford. Da Wikipedia.
Prof: Proprio così! Inoltre, lo studio dello spettro del corpo nero e dell'effetto fotoelettrico suggeriva che la radiazione elettromagnetica avesse un duplice comportamento (ondulatorio e corpuscolare) durante i processi di interazione con la materia.


Marco: Piano! Che cosa sono lo spettro del corpo nero e l’effetto fotoelettrico?


Prof: Il corpo nero in fisica è una specie di radiatore ideale, il quale assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che lo colpisce e, quindi, né riflette né trasmette alcuna energia apparendo in prima approssimazione nero, secondo l'interpretazione classica del colore dei corpi. Il corpo nero, non riflettendo, assorbe dunque tutta l'energia incidente e, per la conservazione dell'energia, re-irradia tutta la quantità di energia assorbita. La luce emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero. Tutto chiaro?


Marco: Insomma! Ha parlato di corpo nero ideale, quindi nella realtà un tale oggetto non esiste, se ho ben compreso.


Prof: Hai compreso benissimo! Aggiungo che la differenza tra lo spettro di un oggetto e quello di un corpo nero ideale permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto e quindi di identificarlo. Mi sembra interessante, no? Una vera gioia per i chimici:).



Effetto fotoelettrico. Schema che illustra l'emissione di elettroni da
una piastra di metallo. Da Wikipedia.

Marco: Interessante??? I fisici e i chimici mi sembrano persone alquanto strane e complicate, direi…Però andiamo avanti, sono curioso di vedere dove andremo a parare! E l’effetto fotoelettrico? Di quale altra diavoleria si tratta?


Prof: In fisica dello stato solido l'effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie, di solito metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una determinata  frequenza.
Tale effetto è stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce.


Marco: Sta diventando tutto complicato per il mio comprendonio! Riassumendo: alcuni risultati sperimentali, tra cui il disaccordo tra  l’analisi delle righe spettrali, prima citate, con il modello atomico di Rutherford mise in crisi la meccanica Newtoniana. Lo studio dello spettro del corpo nero e dell’effetto fotoelettrico fece pensare a un doppio comportamento della radiazione elettromagnetica: onda-particella? Tutto ciò portò alla formulazione di una nuova fisica? La Meccanica Quantistica?


Prof: Non solo questo. O più precisamente, insieme a tutto ciò, mancava una base teorica molecolare per la Termodinamica, assenza che si rispecchiava in andamenti dei calori specifici non giustificabili alla luce della teoria classica.


Marco: Lasciamo stare, per carità, la Termodinamica e l’andamento dei calori specifici. In definitiva, se ho ben compreso, l’efficacia della Meccanica Classica veniva a cadere nello studio dei sistemi microscopici, motivo per cui i fisici si sono inventato la Meccanica Quantistica e i quanti?


Prof: Più o meno! Planck, formulando il concetto di “quanto” nell'ambito degli studi sulla radiazione di corpo nero condotti alla fine del XIX secolo (ne abbiamo parlato prima; il termine corpo nero indica un corpo o una superficie ideale capace di assorbire tutta la radiazione incidente), fece il primo passo verso lo sviluppo della nuova teoria. Ti ricordo, come già detto prima, che i grafici sperimentali ottenuti dall'analisi dell'emissione di radiazione elettromagnetica di un corpo incandescente erano in disaccordo con le previsioni teoriche della fisica classica.


Marco: Sì, sì! Non ho la memoria corta, prof. Non ho ancora compreso, però, che cosa sono questi fantomatici quanti e a che cosa servono!


Prof: Calma! Tra poco ci siamo. Planck, dopo aver determinato una relazione matematica che interpolasse correttamente le curve sperimentali, cercò un modello fisico che potesse giustificarne la forma.
Non mi dire che non hai mai sentito parlare di interpolazione, perché abbiamo interpolato diverse volte e in diverse occasioni. Ad esempio, nello studio quantitativo di un determinato fenomeno fisico, quando, disponendo di un certo numero di punti del piano ottenuti con degli strumenti di misura, abbiamo ritenuto opportuno individuare una funzione che passasse per tutti i punti dati o almeno nelle loro vicinanze. 

Marco: Sì, vabbé! E i quanti???


Prof:  Ci siamo, ci siamo! Egli ipotizzò che l'interazione tra radiazione e materia avvenisse per trasferimento di quantità discrete di energia, che chiamò quanti, ciascuno di energia pari a hv, dove v (ni greca) rappresenta la frequenza e h il quanto d'azione, il cui valore è ora noto come costante di Planck. Cerco di essere più precisa: nel 1900 Planck rese nota la sua ipotesi nella quale sosteneva che gli scambi di energia, nei fenomeni di emissione e di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche,  avvengono in forma discreta (proporzionale alla loro frequenza di oscillazione, secondo una costante universale), non già in forma continua, come sosteneva la teoria elettromagnetica classica.


Nel 1901, Planck passò dall'ipotesi quantistica alla vera e propria teoria quantistica, secondo la quale gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per quanti di energia, cioè quantità di energia finite e discrete. In tal modo anche l'energia può essere concettualmente rappresentata, come la materia, sotto forma granulare: i quanti sono appunto come granuli di energia indivisibili.
La sua teoria gli valse il premio Nobel per la fisica del 1918.


Marco: In parole poverissime, secondo Planck ad ogni frequenza di una radiazione elettromagnetica sarebbe associata una  ben determinata energia? E la costante di Planck esprimerebbe la proporzionalità che lega l’energia di una radiazione e la sua frequenza?
Allora quella strana formula  E = h v riassumerebbe la legge che è alla base della Teoria elaborata da Planck e, quindi, della Meccanica Quantistica? 


Prof: Beh, Marco sei piuttosto sveglio, direi.


Marco: Una domanda...i fotoni di cui parlavano su feisbuc sono i quanti di Planck?


Prof: Direi di sì! Il termine "fotone" fu coniato dal chimico statunitense Gilbert Newton Lewis nel 1926 per definire quelli che da Planck erano stati chiamati quanti, in riferimento alla sua ipotesi secondo la quale l'energia fosse trasportata dalla radiazione elettromagnetica in pacchetti discreti.
Come per tutte le particelle elementari, la Meccanica quantistica ne mostra il comportamento duale onda-particella e ne determina le proprietà intrinseche che non sto qui a elencare.


Marco: Ed Einstein che cosa avrebbe a che fare con i fotoni? E  poi concretamente a cosa servono questi fotoni?


Prof: Albert Einstein sviluppò gradualmente la moderna concezione di fotone per spiegare osservazioni sperimentali (come il citato effetto fotoelettrico) che non si accordavano con il classico modello ondulatorio della luce. In particolare, il fotone rese possibile un modello che descrivesse la dipendenza dell'energia della luce dalla frequenza e spiegasse l'equilibrio termico tra la materia e la radiazione elettromagnetica. Spiegava inoltre l'anomalia di alcune osservazioni, come le proprietà del corpo nero, tramite modelli "semiclassici" sviluppati da vari fisici, tra cui Planck, che contribuirono poi allo sviluppo della Meccanica quantistica.


Per rispondere alla tua domanda sull’utilità dei fotoni, sappi che essi hanno avuto una rilevanza fondamentale nello sviluppo della fisica, in particolare nel campo dell'Ottica, e hanno importanti applicazioni in Fotochimica, Microscopia, e in altri interessantissimi campi.


Marco: E poi?


Prof: E poi…ci sarebbe tantissimo altro di cui parlare: l’equazione di Schroedinger, il principio di indeterminazione di Heisenberg, l’equazione di Dirac, il pricipio di esclusione di Pauli. Ma qui il discorso diventerebbe troppo lungo e penso che ormai la tua capacità di concentrazione sia al limite, vero?


Marco: In effetti, prof, non ha tutti i torti. Mi farebbe, per concludere, una sintesi veloce sui risultati  della Meccanica quantistica?


Prof: E va bene, ci proverò, ma non ti assicuro nulla sulla brevità!
La Meccanica quantistica ha, in pratica, risolto tutti i problemi della fisica dell'inizio del XX secolo, ha accresciuto il livello di conoscenza della struttura della materia e ha fornito una base teorica per la comprensione della struttura dell'atomo e del fenomeno delle righe spettrali: ogni riga spettrale corrisponde all'energia di un fotone emesso o assorbito quando un elettrone compie una transizione da un livello energetico a un altro. Anche la conoscenza dei legami chimici è stata completamente rivoluzionata. La fisica dello stato solido, la fisica della materia condensata, la superconduttività, la fisica nucleare, e la fisica delle particelle elementari sono fondate sui principi della meccanica quantistica.


Marco: Grazie! E le prospettive future?


Prof: Non ti arrendi mai tu, vero?
La Meccanica quantistica ha permesso la descrizione del mondo microscopico, inaccessibile con i mezzi forniti dalla meccanica classica, e ancora oggi fornisce la base concettuale fondamentale per ogni sviluppo nell'ambito della fisica moderna. Tuttavia, lo studio di problematiche particolari, che non sto qui a indicare, ha suscitato animate discussioni sulla completezza della teoria. 
Proprio come la meccanica newtoniana venne corretta dalla meccanica quantistica e dalla relatività, molti scienziati sono convinti che anche la teoria quantistica sia destinata a subire profonde modifiche negli anni a venire. Ad esempio, fisici teorici come Stephen Hawking stanno tuttora cercando di elaborare un sistema che comprenda sia la relatività sia la meccanica quantistica.
Ma questa è un’altra storia!


Marco: Grazie, prof. Non sono, però, sicuro di aver compreso tutto perfettamente.


Prof: Prego! Non ne sono sicura nemmeno io, dopo tanto studiare:)


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Fonti:


Wikipedia
Altre letture in rete
Reminiscenze personali

10 commenti:

  1. Merita un commento, oltre al solito tweet:
    Uao! Veramente bello e completo (per quanto possibile, ovviamente!)

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  2. Grazie, Gian. Fa particolarmente piacere l'apprezzamento di un esperto della materia:)

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  3. Ottimo Annarita.Soprattutto nel ripercorrere la cronologia dell'evoluzione delle conoscenze prima della intuizione di Plank.
    Ora aspetto la seconda puntata.
    Questa è una grossa sfida, perché la meccanica quantistica si sviluppa con formule matematiche e non c'è fantasia umana che possa renderle in parole o idee.
    “No, non sarete capaci di capirla…
    Vedete, neppure i miei studenti di fisica la capiscono.
    Questo perché io non la capisco. Nessuno ci riesce…
    La teoria elettrodinamica dei quanti descrive la Natura
    come assurda dal punto di vista del senso comune.
    E concorda completamente con la sperimentazione.
    Così spero che accetterete la Natura com’è: assurda”.
    R.Feynman

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  4. Questa è una grossa sfida, perché la meccanica quantistica si sviluppa con formule matematiche e non c'è fantasia umana che possa renderle in parole o idee.

    Ciao, Gigi. Penso che tu abbia considerato come ho chiuso l'articolo.

    Il grande Feynman aveva perfettamente ragione. I suoi studenti di Fisica sicuramente utilizzavano l'avanzato formalismo matematico su cui si appoggia lo sviluppo della teoria quantistica. Pure io l'ho utilizzato durante il corso di laurea in Fisica. E guarda un po' mi sono specializzata, a suo tempo, e fatto ricerca per un po' di tempo proprio in Fisica delle particelle. La fantasia, anzi meglio la creatività umana, può invece molto a mio avviso soprattutto per far avvicinare i giovanissimi a temi scientifici ardui. Non sto parlando di comprensione, ma di avvicinamento, che a 14 anni è già tanto.

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  5. Secondo me la sfida l'hai stravinta!
    L'argomento è davvero complicato e provare a spiegarlo è davvero un'impresa. Tu ci sei riuscita e molto bene. E' chiaro che il tuo intento era soprattutto quello di avvicinamento verso certi argomenti, magari nella speranza di incuriosire e suggerire successivi approfondimenti.
    Devi comunque ringraziare Marco (idea carinissima quella del dialogo con un ipotetico ragazzo): un adulto alla seconda domanda già si sarebbe arreso perché non ha (almeno non in molti) la quantità di curiosità necessaria per insistere ed incalzare con i "come?, quando?, perché?..." Diciamo che in questo dialogo immaginario, Marco è stato un'ottima spalla e tu sei stata un'eccellente prof (che novità!!!!!)

    Son sincero, io ho provato ad approfondire già tempo fa l'argomento, ma siamo a livelli talmente "elevati" che pensare di comprendere tutto (ma anche piccole parti) sarebbe solo un atto di presunzione. Però ci si prova perché è davvero affascinante.

    Solo per curiosità: la prima volta che mi sono trovato difronte al termine "quantistica" non è stato cercando un argomento di Fisica bensì cercando di approfondire alcuni aspetti sulla crittografia.

    Un salutone a te e vedi un po' tu come mandarne uno anche a Marco (magari incontrandolo in qualche mondo parallelo).

    PS:
    Te l'ho già detto che hai scritto un articolone?

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  6. Grazie del feed-back, Marco! Hai perfettamente ragione: trattare questo tipo di argomenti a livello semplificato non è una passeggiata. Se tu, da ragazzo 16enne, affermi che qualche cosa è passata, sono soddisfatta così.

    La crittografia, rientra tra gli altri interessantissimi campi che ho citato, sorvolando, nel post, in cui i quanti sono fondamentali.

    Ti saluterò sicuramente il Marco del dialogo, se dovesse capitarmi di incontrarlo di nuovo. Penso, però, che tu gli sia alquanto vicino!;)

    Un salutone:)

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  7. Bello e interessante, e consolatorio oltretutto, per quel che riguarda l'utilità dei blog, intendo. Mi ha fatto tornare la nostalgia degli scriti divulgativi di Asimov.
    Grazie

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  8. @Pietro Indiati: benvenuto! Grazie del positivo feed-back. E' consolatorio per chi cerca di fare seriamente comunicazione scientifica:)

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  9. Piccolissimo refuso
    Prof scritto in blu e non in rosso, qui:
    Prof: Direi di sì! Il termine "fotone" ...

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  10. Ad anonimo: grazie di aver trovato il classico pelo nell'uovo. Non si tratta, infatti, di un refuso nel significato peculiare del termine...ma proprio di un pelo nell'uovo.

    Ciò che ha recepito dell'articolo consiste nell'aver rilevato che il termine "Prof" è stato scritto in blu piuttosto che in rosso oppure ha recepito altro?

    Si potrebbe avere il piacere di sapere chi è? Come avrà verificato, i commentatori di questo blog non sono anonimi.

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