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STORIA DELLA FISICA ATOMICA

-400ac Democrito riteneva inconcepibile che i corpi materiali potessero essere divisi indefinitamente. Propose che tutte le sostanze fossero fatte di parti invisibili, chiamate atomi che legate insieme formavano i corpi. Riteneva che gli elementi fondamentali fossero 4: Terra, Acqua, Aria e Fuoco. Anassimandro pensava invece che le sostanze fossero costitute da vortici di fluidi particolari. La teoria dei 4-elementi più l’Etere o Quintessenza, senza l’atomismo fu la più accreditata fino a 200 anni fa. Aristotele la incluse nella sua filosofia, e in forme molto simili fa parte del induismo e di altre filosofie.

~1780 A.L.Lavoisier dopo una lunga serie di eperimenti quantitavi con bilancie e misure di volumi formula la legge della conservazione della massa.

-1789 J.B.Richter tesi dott. a Koninsberg De usu mateseos in chemia e nel 1792 publica Anfangsgrunde der Stochyometrie. In questi scritti dichiara, contrariamente a quanto riteneva Kant, che la chimica era par- ticolarmente adatta alla matematizzazione ed indicò nella stechiometria un nuovo campo di indagine della chimica. Formula la legge delle pro- porzioni equivalenti: Le quantità di basi che saturano un acido stanno sempre nella stessa proporzione l’una rispetto all’altra anche quando saturano acidi diversi. Il lavoro di Richter fu fortemente contrastasto da filosofi kantiani come J.F.Fries, chimici come C.L.Berthollet e fisici come E.G.Fisher, anche se nel 1802 riunì i dati numerici di Richter, in una tavola dei pesi equivalenti. Questi pensavano la reattività chimica come una delle forze della natura, analoga alla gravitazione, ed ovvia- non produceva solo combinazioni fisse ma aggregati, teorie in qualche modo parenti delle idee di Cartesio.

-1807 J.Dalton pubblicaNew system of chemical philosophy, dove espone la legge delle proporzioni multiple nelle reazioni chimiche. Egli non fu il

llll

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primo a ritenere che le varie specie di sostanze chimiche sono composte di parti- celle dotate di pesi differenti, questa idea era comune a vari chimici del tempo. Dalton fu il primo a dare delle regole valide di combinazione chimica, proponendo che gli atomi si combinavano solo nelle forme più semplici e a comprendere l’importanza dei pesi atomici per la teoria chimica. Le regole di combinazione e i pesi daltoniani consentirono una vera e pro- pria fondazione quantitativa della chimica moderna. Dalton inizia come fisico interessato alla Metereologia. Si interessava della dissoluzione del vapore d’acqua nell’aria e nel 1802 pubblica nei Memoirs di Manchester i concetti principali sulle pressioni parziali nelle miscele di gas, concetti molto criticati da Bertholet ed altri Importanti contributi alla teoria atomica vennero da W.H.Wollaston e da J.J.Berzelius.

-1815 W.Prout legato alla metafisica riduzionista nella quale si ipotizzava che tutti gli

elementi erano prodotti da una sola materia originaria cercò di dimostrare che tutti gli elementi erano formati da idrogeno, basandosi sul fatto che i pesi ato- mici degli elementi erano multipli approssimati del peso atomico dell’H. I contemporanei non condividevano le sue vedute citando per esempio che i pesi Cloro e del Cadmio erano rispettivamente 35.46 e 112.41, che non sono multipli dell’H. La soluzione è arrivata 100 anni dopo, con gli isotopi e con la equivalenza tra massa ed energia di legame.

-1823 A.Avogadro formula la legge: volumi uguali di gas alla stessa temperatura contengono lo stesso numero di molecole. Fu largamente ac- cettata dai chimici solo dopo il congresso di Chimica di Karlshrue del 1860 dove S. Cannizzaro chiari il problema dei gas biatomici.

-1829 J.W.Dobereiner, (dopo la scoperta di numerosi elementi chimici vi fu al- l’inizio dell’800 la evidente la necessità di classificarli in qualche modo), richia- mò l’attenzione che elementi con proprietà chimiche simili, si ritrovava- no in gruppi di tre e che la media aritmetica dei pesi atomici del più leg- gero e del più pesante corrispondeva con buona aprossimazione al peso atomico del terzo elemento del gruppo. Le triati citate compredevano: calcio, stronzio e bario; litio, sodio e potassio; zolfo, selenio e tellurio; cloro, bromo e iodio. Queste ricorrenze suggerono a molti che gli atomi non fossero gli ultimi elementi della materia ma che fossero composti di elementi più semplici.

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-1833 M.Faraday enuncia le leggi dell’elettrolisi dove mette in evidenza la stretta relazione per l’elettrolisi tra massa e quantità di carica. Nel 1838 esegue i primi esperimenti di scarica nei gas dove scopre per scariche con pres- sioni di aria <5mmHg la “Farady dark space” che si produce sul polo negativo, e predice per le scariche nei gas un futuro importante per lo studio della filosofia della natura dell’elettricità.

D.I.Mendeleev nel 1867 iniziò il suo Osnovi khimii (Principi di chimica) dove iniziava classificando gli alogeni (Cl,Br,I) ed i metalli alcalini(Li,Na,K), in modo da far emergere, nonostante la stessa valenza, la loro contrarietà chimica. Divenne consapevole che per la classificazione degli elementi, oltre che delle loro proprietà chimiche, della necessità di una variabile quantitativa come il peso atomico. Nel marzo del 1869 trovò la soluzione del problema sistemando gruppi di elementi con proprietà simili secondo l’odine dei pesi atomici:

Ca = 40 Sr = 87.6 Ba = 137Li = 7 Na = 23 K = 39 Rb = 85.4 Cs = 133 F = 19 Cl = 35.5 Br = 80 Te = 127

Gli elementi classificati secondo il valore dei loro pesi atomici presenta-vano un evidente periodicità di proprietà. Questo metodo permetteva diriempire i posti rimasti vuoti con altri elementi ancora non scoperti e diriclassificarne alcuni, per esempio: propose di cambiare il valore del pesoatomico del Berillio da 14 a 9.4 e di attribuire al suo ossido la formulaBeO per analogia con MgO invece di Be2O3 formula che era nata peranalogia con l’allumina Al2O3 determinando così il posto esatto del Be nella tabella periodica degli elementi.L’attribuzione a Mendeleev della tabella periodica non è stata fatta senzacontestazioni infatti J.L.Meyer aveva pubblicato una tabella per perpesi atomici e valenze già nel 1864 ma non aveva valutato le contrarietàper elementi con la stessa valenza.

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-1874 W.Crookes esperto nelle pompe da vuoto e nella soffiatura del ve- tro inizia a sperimentare con scariche nei gas. Dopo Farady le scariche nei gas sono state studiate da J.Pluker,W.Hittorf,H:Gaissler e da E.Goldstein. Questi lavori sono la base della moderna tecnologia delle lampade che noi chiamiamo al neon o allogene.

Crookes scoprì che se abbassava molto la pres- sione nel tubo di scarica la luminosità generale si trasformava in un fascio ben definito che col- legava il catodo con l’anodo. Questo fascio che quando tocca il vetro produce una luce verdas- tra e stato chiamato “raggi catodici”. Qualunque oggetto posto sul suo cammino produce una ombra netta ed è deviato dal campo magnetico allo stesso di una corrente elettrica. Crookes non aveva nel- l’ambiente scientifico una buona reputazione perchè credeva nell’occultismo e nello spiritismo. Va ricordato che il tubo di Crookes è stato utilizzato da Rongten per scoprire i raggi X.

Nello stesso anno J.Perrin scoprì che una lastra metallica interposta sul cammino dei raggi catodici si elettrizzava negativamente. Tutti i dati portavano a pensare al passaggio di particelle negative in un gas rare- fatto. P.E.Lenard era contrario a questa ipotesi perche aveva visto che i raggi cato- dici ruiscivano ad attraversare alcuni schermi sottili, e deduceva che era costituito da onde elettromagnetiche, stava diventando l’opinione prevalente. Il Council for Science Progerss incarica J.J.Thompson di chiarire la natura dei raggi catodici.

-1897J.J.Thompson pubblica sul Philosophical Magazine On CathodeRays la misura del rapporto e/m per i raggi catodici con un tubo di Crookes.

Deviando i raggi catodici con un campo elettrico (mv2/e) compensato da un campo magnetico (mv/e). Vide che v dipendeva dalla differenza di potenziale del tubo ed e/m era costantemente uguale a 5.28x1017ues/g. Il tubo usato da Thompson è il primo acceleratore di particelle e cento anni dopo lo abbiamo in tutte le case nei nostri video...........

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Sebbene apparisse chiaro che e doveva avere lo stesso valore della carica elementa- re scoperta da Faraday nell’elettrolisi dei liquidi Thompson volle misurarla: a questo

scopo utilizzo una camera nebbia inventata da C.T.R.Wilson poco prima. In una camerasatura di vapor d’acqua priva di polvere, abassando rapidamente la pressione si formauna goccia di acqua su ogni ione. Per piccoleespansioni le goccie condensano solo sullecariche negative, mentre per espansioni mag-giori del 30% anche su quelle positive. Thompson produsse con un tubo a raggi Xdella ionizzazione in una camera di Wilson.Raccolse le goccie in un piatto metallico col-legato a un elettroscopio, avendo contato le goccie precedentemente, con vari metodi.

Trovò e=4.77x10-10ues, uguale al valore della carica elementare che Faraday tro-vò nell’elettrolisi. Dal valore di e/m e da e ricavò m=9x10-28g per i raggi ca-todici, ben 1840 inferiore alla massa dell’idrogeno. Grande scoperta: Tho-mpson aveva trovato una particella ~2000 volte più leggera del atomo di idrogeno e con carica negativa che chiamò elettrone. Thompson concluse che nelle celle elettrolitiche venivano trasportati atomi carichi positivamente ed iraggi catodici erano costituite da particelle leggere negative, gli elettroni.

Thompson a questo punto, comprende che gli atomi non sono le particellepiù piccole della materia, ma anche che gli stessi atomi hanno una struttura fatta di particelle positive pesanti e di elettroni negativi molto più leggeri. Propose un modello statico dell’atomo costituito da una miscela di cariche positive e negative in equilibrio statico dovuto alle forze atrattive e repulsive elettriche. Furono fatti molti complicati calcoli nel tentativo di correlare le frequenze delle vibrazioni elettroniche con le righe spettrali caratteristiche degli spetti di emissione di ogni atomo, ma non fu trovata nessuna correlazione.

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S

NNel 1907 J.J.Thompson, studiòcon un suo tubo invertendo le polartà i raggi che dall’anodovanno verso il catodo.Questi sono chiamati Raggi Canale perchè il catodo aveva dei buchi(canali) per far passare i raggi analizzati poi con un campo elettrico E (e/mv2) e un campo magnetico B (e/mv) paralleli. Ovviamente trovò chei raggi erano fatti di atomi positivi e per ogni elemento si aspettavavariando i campi E e B una parabola sullo schermo fluorescente C.Thompson osservò le parabole ma invece di una per ogni elemento ne tro-vò varie. Nel caso del Cloro ne trovò una che corrispondeva 34.98 ed unaltra a 35.98. Le percentuali di atomi di cloro con diversi pesi atomici (calcolate dall’annerimento relativo ad una lastra fotografica risultaronoessere il 75.4% e 24.6% e dava per il cloro un peso atomico medio di 35.457. Il problema sollevato da Prout cento anni prima cominciava arisolversi. Gli stessi atomi di uno stesso elemento con diversi pesi ato-mici furono chiamati Isotopi, avevano evidentemente le stesso proprietàChimiche ed occupavano lo stesso posto nella tabella di Mendeleev.

Sucessivamente, sempre nel laboratorio di Thompson a Cambridge,F.W.Aston mise in evidenza il fenomeno per molti altri elementi chimici per esempio il Cadmio è composto da ben 8 isotopi.

-1896 H.Becquerel, conservatore come suo padre e suo nonno di un museo delle pietre luminescenti a Parigi si entusimò della scoperta dei raggi X e volle provare de venivano emes- si dalle sue pietre. Espose al sole del un minerale chiamato uranile (solfato doppio di uranio e potassio), e trovo che la lastra fotografica ben coperta dal sole mostrava una macchia di ra- diazione corrispondente al minerale. In un periodo senza sole depose casualmente, un pezzo di uranile sopra una chiave ed una lastra fotografica ben incartata in un cassetto. Espose poi il minerale al sole e finalmente sviluppò la lastra e trovò la macchia del minerale con dentro la

forma della chiave. Immediatamente comprese che il minerale da solo emana- va una radiazione nuova più penetrante dei raggi X e che nulla aveva a che fare con la luninescenza, era la Radioattività.

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Immediatamente molti scienziati si dedicarono a studiare la radioattivitàMarie Sklodowska Curie separò chimicamente gli elementi dell’uranileed ha scoperto che l’uranio metallico era 5 volte meno attivo del uranile.Qundi cercò qualche altra sostanza che giustificasse il fatto così scopriun altra sostanza attiva con proprità simili al Bismuto che chiamò Polo-nio, ed un altra simile al Bario ~ 2x106 di volte più attiva dell’Uranio, il Radio. Molte altre sostanze radioattive sono state scoperte in seguito

O.Hann nel 1938 ha scoperto la fissione del uranio che con la scoperta di E.Fermi della attivazione con neutroni lenti portò all’energia nucleare ed alle bombe atomiche. L’attivazione con protoni accelerati produsse molti isotopi radioattivi artificiali attualmente molto usati un diagnostica (scinti- grafie, PET positron emissiom tomography) ed in terapia dei tumori come nel caso delle bombe al cobalto che sono sostanzialmente formate da grandi quantità di 60Co che emette raggi gamma. Per questo tipo di cure attulmente sono usati anche elettroni accelerati e protoni e ioni accelerati per esempio nella cosidetta terapia adronica. Questi metodi sono superiori alla cura con 60Co perchè rilasciano meno radiazione nei tessuti sani.

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-1899 E.Rutherford, neozelandese che andò a Cambridge a studiare con J.J.Thompson, a 28 anni scoprì l’esistenza di tre tipi di radiazione: -Alfa, ioni positivi di Elio, si arresta facilmente con un foglio di carta. -Beta, elettroni molto veloci, attraversano spessori di alluminio anche di 3mm. -Gamma, radiazione elettromagnetica con lunghez- za d’onda molto più corta dei raggi X, capace di attraversare schermi di Piombo di alcuni cm. La radioattività produce danni biologici dato che ionizza gli atomi producendo radicali chimici liberi che ricombinandosi possono produrre mutazioni genetiche.

Sucessivamente Rutherford ed il suo allievo F.Soddy scoprirono che la radioattività era il risultato di una trsformazione spontanea di un elemento in un altro. ( Ci si avvicinava alla pietra filosofale degli alchimisti?)

DECADIMENTI DALL’URANIO AL PIOMBOattraverso i decadimenti alfa e betaSono dati numero e peso atomico, il simbolo dell’elemento e la vita media

VITA MEDIA N=N0e-λt

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Alcuni esperimenti fatti, da Thomoson, Lenard ed altri, con urti di elettro-ni su materiali confermarono il modello dell’atomo di Thompson.Rutherford a seguito di una disputa sulla natura dei raggi alfa con Becque-rel, dove si erano manifestati urti a grandi angoli di alfa, che passavano inaria, propone un esperimento, eseguito nel suo Laboratorio di Manchester,da H.Geiger e E.Marsden sull’urto di particelle pesanti come le alfa sufoglietti molto sottili di Oro. Verificarono che 1/8000 le alfa era respintea 1800 e la distribuzione angolare delle alfa dopo l’urto era incompatibilecon urti multipli come prevedeva il modello di Thompson. L’esperimentodava evidenza di urti singoli e forti secondo la formula sviluppata dal ma-tematico R.H.Fowler. Rutherfor nel 1911 pubblica sul Ph, M. un saggio:

The scattering of alfa and beta particles by matter and the stucture of the atom. La massa dell’atomo era concentrata in un raggio 10-5 volte più piccolo del raggio dell’atomo cioè 10-12cm. Gli elettroni negativi simili a pianeti ruotavano intorno al nucleo positivo. Questo modello spiegava l’urto di particelle pesanti come le alfa e gli urti multipli degli elettroni sulla nuvola elettronica. Questo modello ( già proposto da J.Perrin nel 1901) che rispondeva bene ai risultati sugli urti, poneva grossi problemi: - Come stavano insieme i nuclei fatti di particelle positive? Era necessa- ria una nuova forza che contrastasse e superasse quella di Coulamb. - Come facevano gli elettroni a ruotare intorno ai nuclei senza irraggiare e poi cadere sui nuclei stessi?

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Si è sempre saputo che la materia preventivamente riscaldata emette ra- diazione luminosa e calorica. Gli studiosi del 700 sapevano che aria ra- refatta eccitata dall’elettricità produceva luci colorate. Risultati simili si ottenevano anche evaporando sostanze alla fiamma. La luce analizzata con un prisma, eccitando liquidi e solidi, mostrava spettri piuttosto conti- nui, mentre i gas presentavano spettri parziali che li caratterizzavavo.

~1802 W.Wollaston riprese l’esperimento di Newton sullo spettro della luce solare

ma con un prisma più sensibile e trovò che allo spettro continuo newtoniano, quando la fessura della finestra era sufficientemente stretta, si sovrappo- nevano sette righe scure. Questa osservazione rimase senza spiegazioni. J.vonFraunhofer un costruttore di strumenti ottici di Monaco di Baviera, pochi anni dopo riprese lo studio di Wollaston, con strumentazione molto sensibile, egli individuò nella luce solare una serie di ben 700 righe scure, determinò per alcune di esse la lunghezza d’onda corrispondente designando le righe principali a partire dal rosso con lettere dell’alfabeto da A sino ad H. Estese poi l’analisi spettroscopica ad altri corpi celesti, verificando che gli spettri aveno un certo ordine interno. Suggerì l’idea che la luce del Sole e delle altre stelle era assorbita in corrispondenza delle righe scure, di sostanze specifiche. Questa idea ha aperto la porta all’Astrofisica con sviluppi spettacolari e sorprendenti. Per migliorare le sue misure Fraunhofer introdusse il reticolo difrattivo il primo costruito con fili d’Argento su supporti, e poi incidendolo su vetri.

-1823 J.Herschel propose che lo studio delle righe scure dello spettro stellare potesse essere utilizzato per determinare la presenza di elementi chimici negli astri. All’epoca alcuni filosofi pensavano che era totalmente inutile pensare a composizioni chimiche delle stelle perchè mai si sarebbero potuto verificare.

LUCE E RADIAZIONE EMESSE DALLA MATERIA

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-1854 R.Bunsen e G.R.Kirchhoff intrapresero uno studio sistematico dei colori alla fiamma di vari elementi e scoprirono che ogni elemento ha righe di emissione a diversi colori caratteristiche di ogni elemento. An- che poche righe spettrali sono sufficienti per rivelare la presenza di un elemento. Con un buon spettroscopio coprirono così nuovi elementi alcalini co- me il Cesio (1860) ed il Rubidio (1861). Diedero anche le basi teoriche per spiegare l’emissione e l’assorbimento della luce ed avviarono ed inizia- rono, su basi solide lo studio della composizione del Sole.

Spettri atomici

Spettro dell’idrogeno

Spettro solare

Spettro di assorbimento dell’idrogeno

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-1995 P.Zeeman fisico olandese, che lavorava nel famoso laboratorio di H.Kamerling Omnes famoso perchè per primo raggiunse temperature vicine allo zero assoluto scoprendo la superfluidità dell’elio ed anche la supercondut- tività di alcuni metalli, aproffittando del assenza per una vacanza di Omnes, che lo obbligava a studiare solo sistemi criogenici, compì ricerche sull’influenza del campo magnetico sulle righe spettrali. Scoprì così l’allargamento della riga D (gialla) del sodio che ben presto si rivelò co- me una scissione della riga in un gruppo di tre righe. Questo effetto è denominato Effetto Zeeman. Successivamente l’effetto Zeeman fu inerpretato da Lorentz come la presenza di cariche elettriche rotanti dentro al nucleo con orbite che venivano modificate dal campo magnetico. In base a questa ipotesi calcolò il rapporto e/m che era uguale a quello trovato da Thompson per i raggi catodici quindi si poteva dedurre che gli elettroni erano presenti all’interno dell’atomo con le stesse caratteristiche dei raggi catodici.

 F = eE in dt l'impulso di F è uguale a mdv  mdv = Fdt = eEdt = e(ΔV/l)dt = e(Ri/l)dt = (eR/l)dq ∫vmdv = eR/l ∫ dq mv = eRq/l e/m = lv/Rq

 e/m = -1.6x10-11C/g qe = 1.6x10-19C m =10-27g = me

GLI ELETTRONI SONO I PORTATORIDI CARICA NEI CONDUTTORI

-1916 ESPERIMENTO DI STEWART E TOLMENPer comprendere la natura dei portatori di carica dellecorrenti eletriche omiche eseguirono un esperimento conuna bobina mobile fatta velocemente ruotare con velocità . Dopo in certo tempo anche le cariche che trasportano la carica si metteranno a ruotare, si blocca con un frenola rotazione e se le cariche hanno massa per inerzia si muoveranno nel filo dando luogo al movimento istantaneo di una caricadq che misurata con un galvanometro balistico permentte di risalire alrapporto e/m dei portatori di carica nei conduttori.

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Kirchhoff suggerì che in una cavità a temperatura T, riempita con radiazi-one luminosa di una certa lunghezza d’onda , nell’ipo-tesi che si raggiunga l’equilibrio tra emissione ed assorbi-mento si poteva studiare l’emissione di radiazione tra di un elemento di superficie. Si trattava di trovare una funzione che esprima il rap-porto tra energia emessa ed energia assorbita allatemperatura T:

de

e a),(/ TWae

1a

In un sistema isolato, un corpo rinchiusodentro un altro, dopo un certo tempo, rag-giunge la temperatura dell’involucro, anchese sono legati solo il vuoto più spinto.

Ima LEGGE DI KIRCHHOFF:T0

T1

10 TT t10 TT

L’indagine su emissione ed assorbimento di luce implicava questioni generali sulla radiazione. Kirchhoff formula questa legge:

),( TW

),( TWe

Il caso è particolarmente interessante quando , quindi quando c’è assorbimento totale. La cavità di questo tipo sono chiamate cavità di corpo nero. Quale forma a W?

Il rapporto tra il potere emittente ed il potere assorbente è identico per tutte le superfici alla stessa temperatura, all’equilibrio.

IIda LEGGE DI KIRKHHOFF:

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Per rispondere a questa domanda furono fatte molte misure da molti studiosi: J.J.H.Muller, L.Nobili, M.Melloni e J.Tindall e successivamente con metodi più precisi, introdotti da A.Rowland che usava un reticolo sviluppato da J.A.Anstrom, A.P.P.Crova e S.P.Langley mostrarono che la funzione K era assimmetrica e nel 1899 E.Prinsgsheim e Lammer diedero gli spettri finali.

Negli ultimi 20 anni dell’800 molti fisici come Wien,Thiesen, Jens, Lord Rayley ed altri, cercarono senza riuscirci di interpretare i risultati sperimentali.I tentativi furono numerosi ma nessuno si avvicinò alla soluzione del problema.Infatti il problema del corpo nero come quello della emissione delle righe spettrali comportava un tipo difisica fino ad allora completamente sconosciuta la

Meccanica Quantistica.

W

La linea tratteggiata rappresenta la leggedi W. Wien che da ragione dello spostamento del massimo di emmissione in funzione

di λ con la temperatura

λ maxT = 2.8971 T λ max

-1905 A.Einstein pubblica il suo terzo articolo, questa volta suggerisce di utilizzare il moto Browniano per determinare la dimensione degli atomi, e fa il calcolo per determinare il N0 di Avogadro misurando il libero cam- mino medio nel moto Browniano. Il risultato dell’esperimento fu pubbli- cato da J.Perrin nel 1916. Coincideva perfettamente con il N0 di Avoga- dro calcolato con le leggi di Faraday dell’elettrolisi e la carica dell’elet- trone misurata da Thompson. Dopo questo risultato nessuno dubitò più della natura atomica della materia.

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DEDUZIONI DI LORD RAYLEIGH E SIR JAMES JEANS

Con il principio di equipartizionedell’energia dedotto dalla meccanica Newtoniana, Maxwell dedusse le dis-tribuzioni delle velocità delle moleco-le nei gas (teoria cinetica dei gas).

Nm

spettro delle velocità delle moleco-le della teoria cinetica dei gas. Que-sta osservazione gli indusse ad ap-plicare alla radiazione termica lo stesso principio di equipartizione che tanto successo aveva avuto coni gas. Proposero cioè che l’energiaraggiante totale sia ugualmente dis-tribuita fra tutte le possibili fre-quenze di vibrazione e dedussero:

Wbb = 8πν2kT/c3

Prevede che ad alte frequenza ci sia unagrande emissione, fatto non vero e assur-do per cui nasce un grave problema, vale a dire, la natura in questo caso non

Rayleigh e Jeans osservarono che lo spettro del corpo nero in funzione del-le frequenze assomigliava molto allo

(In un recipiente per quanto grande il numero di molecole è semprefinito mentre in una cavità radiante le frequenze sono infinite)

rispetta il principio di equipartizione dell’energia.

A.EinsteinW. Wien

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MAX PLANK E IL QUANTO DI ENERGIA

1900-Max Plank si limitò inizialmente a trovare una formula empirica che fosse in accordo con le misure sperimentali del Wbb :

1

18/3

3

kThbb ec

hW

In seguito dedusse, con grande difficoltà, la formula dal elettromagne-tismo sostituendo gli integrale con delle serie e ponendo la condizione che l’energia delle onde elettromagnetiche può esistere soltanto sotto forma di pacchetti discreti, o quanti, essendo il contenuto di energia di ogni quanto proporzionale alla frequenza corrispondente.

nhE n numero interoh costante di Plankν frequenza

SIGNIFICA CHE L’ENERGIA È QUANTIZZATAFu una vera rivoluzione, da qui inizia la meccanica quantistica

LEGGE DI STEFAN BOLTZMANN

Wbb = σT4Il massimo dello spettro del corpo nero:

Trovata da Stefen e dedotta da Boltzmann dalla formula di Plank

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EFFETTO FOTOELETTRICO

Un metallo illuminato da raggi UVemette elettroni:-esiste una soglia in frequenza- il numero di elettroni dipende dalla intensità della radiazione-l’energia degli elettroni dipende da ν- il processo è molto rapido < 10-9secCon la teoria classica il fenomeno nonsi spiega, per esempio l’energia degli elettroni dovrebbe dipendere dall’in-tensità della radiazione e non da ν.1905 Einstein con l’ipotesi di PlankE=hν spiega il fenomeno con il fattoche quando l’elettrone è colpito da un quanto di radiazione acquista tutta l’energia del quanto o non acquista nulla mv2

max/2 = hν - Φ dove Φ lavoro di estrazione.

CONFERMA LA QUANTIZZAZIONE DELL’ENERGIA

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gFgm

eFEq

E

goccioline di olioelettrizzate cadono

dentro un campo E

m? per tensione superf. sfera raggio r

legge di StokesvrF

6

grgdensvolmgFg

3

3

4..

peso+attrito velocitá costantecon E=0 si misura v m

vrgrFFg

6

3

4 3

con E0 qE=mg q=mg/E

si cambia la carica irradiando con una sorgente radioattiva

iqqqqq ..,.........,,, 4321 enq ii

QUANTIZZAZIONE DELLA CARICA ELETTRICA

-1909 fino al 1917 R.A.Millikan esegue una serie di esperimenti

La carica elettrica è quantizzata e la carica dell’elettrone è la carica minima.

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-1919 E.Rutherford seguendo un lavoro del suo allievo Marsden, che mostrava che in urti di particelle alfa con gas molto rarefatto di Idrogeno, mentre tutte le alfa si fermavano dopo un certo percorso, in questo caso qualche particella andava oltre. Fino ad allora i nuclei si erano manifesti interi o come radiazione alfa, cioè solo i nuclei di Elio. Rutherford si con- vinse che le particelle viste da Marsden fossero nuclei di Idrogeno urtati dalle alfa. Fece una serie di esperimenti con particelle alfa che urtavano gas rarefatti di elementi leggeri come Litio, Berilio, Boro e Fluoro. In tut- ti questi casi trovò particelle che percorrevano distanze maggiori delle alfa e quindi più leggere e cariche positivamente e simili a i nuclei di idrogeno del esperimento di Marsden. Chiamò questa particella Protone e si comprese che dentro ai nuclei esistevano i protoni. Il nucleo costituito di soli protoni non era credibile per via dell’esistenza degli isotpi. Si pensò alla presenza di un certo numero di elettroni nel nu- cleo, una riedizione in piccolo del atomo di Thompson. Ma era noto che per ragioni quantistiche gli elettroni confinati nelle dimensioni di un nu- cleo dovevano avere energie dell’ordine del miliardo di eV e non sembra- va ragionevole. Nel 1920 Rutherford propose l’esistenza di una particel- la neutra con massa simile al protone. Al laboratorio Cavendish di Cam- bridge organizzarono la caccia a queste particelle. Per anni non trovarono nulla, ma finalmente:

-1932 J.Chadwich sempre al Cavendish bombardando con delle alfa del berilio trovò una radiazione molto penetrante neutra con massa simile al protone che fu chiamata Neutrone. Finalmente tutti gli attori arano nella commedia si poteva pensare per esempio alle alfa (nuclei di elio) costitui- te da 2protoni e due neutroni, il carbonio di massa 12 costituito ma con solo 6 elettroni, costituito da 6 protoni e 6 neutroni ecc. ecc. In questo modo ebbe inizio la fisica Nucleare che portò alla comprensio- ne del funzionamento delle stelle, dei reattori nucleari, della bomba ato- mica, e delle applicazioni mediche come l’NMR e la medicina nucleare.

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-1923 A.H.Compton pubblicava sul Physical Review A quantum theory of scattering of X-rays by light elements, dove dava i risultati di urti di raggi X su elettroni orbitanti in elementi leggeri.

2/sin)/2( 200 mch

Faceva osservare che la teoria classica prevedeva che i raggi X interagiva-no con l’intera nuvola elettronica mentre la teoria quantica ogni X utravaun elettrone che rinculava singolarmente e risultava dopo l’urto una radi-azione X con una lunghezza d’onda inferiore al incidente e legata all’an-golo di emissione dalla relazione:

che era in perfetto accordo con i dati sperimentali. Con questo esperimen-to che confermava i risultati dell’effetto foteletrico si era accertata inmodo definitivo la doppia natura delle onde elettromagnetichecome corpuscoli ed onde.