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La crisi della fisica classica: il corpo nero, l’effetto fotoelettrico e l’effetto Compton

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Trento, 20 ottobre 2020. – di Luigi Cozzolino

Nel 1899 Albert MICHELSON , fisico statunitense, cosi affermava "Le leggi fondamentali e i fatti più importanti della fisica sono stati tutti scoperti, e sono così ben stabiliti che è assolutamente remota la possibilità' che vengano soppiantati a seguito di muove scoperte".

La fine dell'Ottocento segna per la Fisica il raggiungimento di una fase dominata dalle certezze del pieno successo raggiunto nella comprensione dei fenomeni fisici macroscopici. L' esposizione mondiale di Parigi del 1889, centenario della Rivoluzione francese, fu l'occasione per inaugurare una straordinaria mostra di nuove tecnologie, in particolare fu realizzata la Torre Eiffel con i suoi ascensori, all'epoca la struttura artificiale più alta del mondo, una fantastica novità diversa da qualsiasi altra realizzazione che l'uomo avesse mai costruito prima. Quindi la fisica era arrivata ad un punto che appariva maturo e addirittura definitivo, come se tutto quello che vi era da scoprire fosse stato in qualche modo raggiunto dall'uomo. La teoria dell'elettromagnetismo forniva infatti un quadro teorico rigoroso, e verificato sperimentalmente, per tutti i fenomeni elettrici, magnetici e luminosi; il calore e la temperatura trovavano eccellente interpretazione nelle teorie matematiche; la meccanica, ormai da tempo, appariva pienamente sistemata, mentre la gravitazione spiegava i fenomeni astronomici.

La fiducia nella validità universale di ciò che oggi chiamiamo fisica classica trovava del resto pieno riscontro nei grandi successi delle sue applicazioni tecnologiche : con la diffusione degli impieghi dell'elettricità, in particolare nel telegrafo, nel telefono e nell'illuminazione, con l'avvio delle comunicazioni radio a distanza e via di seguito.

Cosa restava da investigare? Certamente occorreva una miglior comprensione dei fenomeni a livello microscopico, che si ritenevano governati dalle stesse leggi dei fenomeni macroscopici, così come del resto la stessa meccanica regola il moto dei corpi alla scala dell'uomo come quello degli astri.

E proprio questa è infatti la direzione in cui si muovono le ricerche in quegli anni.
A incrinare queste sicurezze, tuttavia, non mancavano alcuni sottili elementi di contraddizione, riguardanti fatti che la fisica classica non era in grado di interpretare in alcun modo. Fatti che erano destinati ad accrescersi negli anni, man mano che si sviluppava il programma di ricerca riguardante la costituzione intima della materia e le interazioni fra energia e materia, e che avrebbero poi condotto, a una svolta senza precedenti nella nostra comprensione della realtà fisica.
Prima di parlare del fenomeni che misero in seria crisi la fisica classica e cioè della radiazione del corpo nero, dell'effetto fotoelettrico e dell' effetto Compton due parole su tre giganti della fisica che hanno consentito il passaggio dalla fisica classica alla fisica quantistica.

PLANK

Nacque da una famiglia di giuristi e pastori protestanti; il padre, il giurista Julius Wilhelm Planck, partecipò alla redazione del codice civile tedesco. Si trasferì a Monaco per frequentare il ginnasio, per poi andare alle università di Monaco e di Berlino. Ottenne una cattedra nelle università di Kiel e di Berlino.
Fu anche un ottimo pianista, si interessò di problemi filosofici e fu attivo fino a tarda età. La sua vita fu turbata dalla morte delle figlie Emma e Grete in giovane età (1916-1919) per malattia, del figlio maggiore Karl nella battaglia di Verdun e poi del figlio Erwin, impiccato nel 1945 dai nazisti perché coinvolto nell'attentato di luglio contro Hitler.
Solo Hermann, uno dei cinque figli avuti dal primo matrimonio con Marie Merck, deceduta nel 1909, gli sopravvisse. Planck si risposò con Marga von Hösslin.
La teoria di "quanti" gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1918.
Nel 1929 gli fu assegnata la Medaglia Copley.

EINSTEIN

Quando Einstein era bambino, i suoi genitori, ebrei non osservanti, si trasferirono da Ulm a Monaco di Baviera. La sua famiglia si occupava della fabbricazione di apparecchi elettrici, ma nel 1894 la ditta fallì e quindi gli Einstein andarono a vivere a Milano. Fu in questo periodo che Albert Einstein decise ufficialmente di rifiutare la sua cittadinanza tedesca. L'anno seguente, senza aver ancora terminato la scuola secondaria, Einstein non riuscì a superare l'esame di ammissione a un corso di ingegneria elettrica presso l'Istituto federale svizzero per la tecnologia (il Politecnico di Zurigo). Passò quindi l'anno successivo nei pressi di Aarau, frequentando la scuola secondaria cantonale, dove trovò insegnanti eccellenti e ottime opportunità per lo studio della fisica. Einstein tornò quindi nel 1896 al Politecnico di Zurigo, dove nel 1900 conseguì il diploma per l'insegnamento della matematica e della fisica nelle scuole secondarie.
Dopo circa due anni ottenne un posto all'ufficio brevetti svizzero di Berna. Il lavoro lo occupava molto, ma proprio durante questo periodo, dal 1902 al 1909, Einstein pubblicò una sorprendente serie di articoli di fisica teorica, scrivendo la maggior parte di questi lavori nei ritagli di tempo e senza avere la possibilità di contatti con la letteratura scientifica e con altri fisici teorici. Einstein presentò uno di questi scritti all'Università di Zurigo per il conseguimento del dottorato, che ottenne nel 1905. Tre anni più tardi spedì un secondo lavoro all'Università di Berna, diventando libero docente, o lettore, di quella Università. Infine, l'anno successivo, Einstein ricevette un incarico di professore associato di fisica all'Università di Zurigo.

COMPTON

Arthur Holly Compton (Wooster, 10 settembre 1892 – Berkeley, 15 marzo 1962) è stato un fisico statunitense. Compton vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1927 per la scoperta dell'effetto che porta il suo nome. Premio Nobel per la fisica 1927
Intorno al 1913 ha inventato un metodo per dimostrare la rotazione della Terra. Nel 1918 ha studiato lo scattering dei raggi X, mentre nel 1923 ha trovato che la lunghezza d'onda di questi cresce all'aumentare dell'energia degli elettroni liberi incidenti. Il quanto (fotone)di collisione ha un'energia inferiore rispetto al quanto del raggio originale. Questa osservazione ha successivamente portato all'applicazione del concetto di particella anche per la radiazione elettromagnetica o fotone.

Il CORPO NERO (1901)

Si dice corpo nero un corpo che assorbe completamente qualunque radiazione ricevuta. Ogni corpo, una volta riscaldato, emette radiazioni elettromagnetiche, il cui spettro (cioè l'insieme delle loro frequenze) dipende fondamentalmente dalla temperatura del corpo preso in esame. È infatti esperienza quotidiana il fatto che, arroventando (pensiamo ad un pezzo di carbone acceso) un corpo, esso si riscalda e comincia ad emettere una radiazione che varia dal rosso scuro al rosso brillante, per giungere al giallo e al bianco man mano che la temperatura sale: non a caso si parla di "calor bianco".
Dal colore del metallo dentro un forno è allora possibile risalire alla temperatura da esso raggiunta, lo stesso avviene per le stelle come ad esempio il nostro Sole.
Un corpo nero, quindi, assorbe tutti i colori (anche le radiazioni ultraviolette e le radiazioni infrarosse) e non restituisce colore, mentre un corpo rosso assorbe tutti i colori e restituisce il rosso e noi lo vediamo rosso e cosi di seguito
Le leggi che governano la distribuzione spaziale della radiazione termica sono state sostanzialmente ottenute proprio dall'analisi della radiazione emessa da un corpo nero. Un modo molto semplice per schematizzare un corpo nero è quello di usare una cavità nella quale la radiazione è in equilibrio termico con le pareti, le quali cioè mediamente emettono tanta radiazione quanta ne assorbono. Un buon modello di corpo nero è la cosiddetta cavità isoterma.
Tutti noi nella nostra vita abbiamo avuto l'occasione di osservare questo fenomeno con i nostri occhi. Infatti, una chiesa, visto l'ingresso dall'esterno, si comporta proprio come un corpo nero. La spiegazione è molto semplice: tutti i raggi di luce che penetrano nella chiesa attraverso il portale sono assorbiti dalle pareti interne, prima che riescano a ritrovare la strada per fuoriuscire all'esterno. E lo stesso può dirsi per le finestre di una casa, o per l'interno di un container, osservati in una giornata soleggiata.
In laboratorio lo studio del corpo nero viene realizzato utilizzando una cavità isoterma, mantenendo costante la temperature . La cavità è un corpo nero nel senso che può assorbire tutta la radiazione elettromagnetica esterna inviata attraverso un fiorellino praticato nella cavità.(Fig.1)

Per studiare le proprietà spettrali della radiazione elettromagnetica contenuta all'interno , cioè come l'energia elettromagnetica si ripartisce nelle varie lunghezze d'onda (o frequenze ) dello spettro si preleva in uscita dal forellino un campione fedele della radiazione contenuta all'interno.
Questa distribuzione in lunghezze d'onda dell'energia elettromagnetica si chiama spettro di corpo nero ed evidenzia che se il corpo viene portato ad una certa temperatura emetterà una energia di radiazione che può essere evidenziata nell'asse delle ordinate del grafico mentre sulle ascisse è evidenziata la relativa frequenza dell' onda elettromagnetica.
Si vede che alle varie temperatura la potenza di radiazione energetica varia a seconda della frequenza che man mano si sposta da sinistra verso destra
Questi i dati sperimentali, pero' le leggi della fisica classica in particolare la legge di RaileIgh e Jeans e la legge di Wien discordavano dall'andamento delle curve di questi due scienziati, tanto è che per la legge di Rayleigh e Jeans si parlava di "catastrofe ultravioletta" cioè un corpo nero riscaldato avrebbe dovuto raggiungere un potenza di radiazione infinita con infinite frequenze oltre l'ultravioletto. In pratica un forno di casa che resta acceso e portato ad elevata temperatura non ha mai provocato alcun danno alle abitazioni.

Fu PLANK a dare una spiegazione, attraverso il concetto di "quanto di energia" del perché non si verificava la famosa catastrofe, anche se il primo ad non esserne convinto era proprio lui.

In poche parole, PLANK affermò che la produzione di energia da parte del corpo nero, non è continua (come ci si doveva spettare dalla fisica classica)ma è prodotta a pacchetti, "quanti" , questi pacchetti di energia aumentano di volume all'aumentare della frequenza della radiazione elettromagnetica e quindi una volta che la radiazione ha raggiunto il picco di massima potenza i pacchetti diventano sempre più' grossi e quindi man mano la potenza di radiazione diminuisce sempre di più' confermando cosi i dati sperimentali previsti dallo spettro.
Immaginiamo, in pratica, come una persona impegnata a spingere un pacco, se il pacco è sempre lo stesso, cioè peso continuo (FISICA CLASSICA) potrebbe verificarsi la catastrofe perché il pacco potrebbe essere spinto all'infinito aumentando la spinta man mano e quindi la potenza della spinta fino all'infinito.
Ma se, ad esempio, il volume del pacco raddoppia , ad ogni spinta, è chiaro che la persona prima o poi sarebbe costretta a rinunciare in quanto non basterebbero un infinità di persone a spingere tale pacco, e quindi di conseguenza la spinta (potenza) del pacco sarà costretta ad azzerarsi.
Questo procedimento fu avvalorato da rigorosi calcoli matematici che partendo dall'ipotesi di PLANK e facendo uso della legge di Wien e di Boltzmann confermavano la perfetta aderenza dei dati con i risultati della curva sperimentale.(FIG.2)

La crisi della fisica classica: il corpo nero, l’effetto fotoelettrico e l’effetto Compton

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