Introduzione alla fisica moderna Giovanni De Lellis Università “Federico II” Napoli. In collaborazione con Paolo Strolin

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<ul><li> Slide 1 </li> <li> Slide 2 </li> <li> Introduzione alla fisica moderna Giovanni De Lellis Universit Federico II Napoli. In collaborazione con Paolo Strolin </li> <li> Slide 3 </li> <li> Fisica classica e moderna Sempre pi studiata sui banchi di scuola un giorno sar forse considerata classica Risposta la fisica dopo 1915: Teoria della Relativit Meccanica Quantistica-Ondulatoria . Domanda che intendiamo per fisica moderna ? </li> <li> Slide 4 </li> <li> Ottica in fisica classica Se ~ d interferenza, diffrazione fenomeni ottici legati natura ondulatoria alla natura ondulatoria raggi di luce ottica geometrica Se </li> <li> ONDE : definiamone altri parametri A Lunghezza donda (onde marine ~ 10 m ; luce visibile ~ 0,0005 mm) Ampiezza A (oscillazioni tra A) Energia trasportata A 2 &gt; 0 impatto nellurto Intensit I energia m 2 sec 1 m 2 </li> <li> Slide 6 </li> <li> INTERFERENZAINTERFERENZAINTERFERENZAINTERFERENZA In sintesi: nella sovrapposizione (algebrica ) di onde due possibilit estreme: + +, - - 2A + -, - + 0 +A -A = 0 interferenza distruttiva Sorgente 1 Sorgente 2 +A +A = 2A interferenza costruttiva Sorgente 1 Sorgente 2 somma </li> <li> Slide 7 </li> <li> ONDE SULLA SUPERFICE DI UN LIQUID0 1 2 Sorgenti sincrone le onde incrociate temute in mare ONDE fenomeni di INTERFERENZA interferenza tra 1 e 2 massimi ove le ampiezze si sommano ! zero ove esse si sottraggono </li> <li> Slide 8 </li> <li> Osservazione di fenomeni di INTERFERENZA sintomo di NATURA ONDULATORIA </li> <li> Slide 9 </li> <li> Come fu evidenziata la natura ondulatoria della luce (vedremo nel seguito che la realt pi complessa e interessante! ) Morale: la scienza non ammette pregiudizi! F.Arago: il non plausibile viene osservato ! analogia per convincersi: uno scoglio (d ~ ) non d riparo se illumino un disco nero... A.Fresnel: teoria ondulatoria della luce (1819) Per interferenza costruttiva il disco appare bucato al centro Un miraggio? S.Poisson: la teoria ondulatoria predice una macchia luminosa in piena ombra teoria considerata non plausibile </li> <li> Slide 10 </li> <li> Storici dilemmi (anche in era pre-scientifica) Luce onda ? particella ? fenomeni di interferenza effetto fotoelettrico (visto agli inizi del 900) Elettrone (e in generale particelle elementari) onda ? particella ? fenomeni di interferenza ? quantizzato in massa e carica elettrica Domanda: vi una simmetria luce e - ? Evidenze sperimentali </li> <li> Slide 11 </li> <li> Cerchiamo un tassello del puzzle della scienza ! Protagonisti principali (1925-27) Schrdinger, Heisenberg, Born, Dirac .. </li> <li> Slide 12 </li> <li> Il percorso della lezione Fisica classica particelle elementari : trattate come minuscole pallottole onde : interferenza come fenomeno peculiare Totale separazione tra onde e particelle Fisica moderna: Meccanica quantistica-ondulatoria Dualismo onda-particella Come Dr. Jekyll e Mr. Hyde: comportamento da onda o da particella a seconda delle circostanze in cui osserviamo Onde e particelle elementari : quadro comune ! un poco di pazienza e attenzione! </li> <li> Slide 13 </li> <li> Il modo per capire Che accade nei vari casi? Immaginiamo di fare esperimenti su Pallottole Onde Elettroni (particelle elementari) inviandoli su un apposito strumento piano di osservazione equipaggiato con strumenti capaci di rivelare il punto di impatto schermo con fenditure 1 2 ( metodo galileiano: il piano inclinato fu concepito quale strumento per lo studio della caduta dei gravi) </li> <li> Slide 14 </li> <li> Esperimento con particelle (pallottole) Il pistolero spara allimpazzata (in ogni direzione) Urtando casualmente contro i bordi delle fenditure, le pallottole vengono diffuse e rivelate sul piano di osservazione con una certa distribuzione di probabilit EFFETTI CARATTERISTICI DI PARTICELLE arrivano a colpi ( quantizzazione ! ) P 12 = P 1 + P 2 &gt; P 1, P 2 ( additivit !) al centro P 12 = 2P Notare bene: in nessun luogo si hanno meno colpi con due fenditure aperte che con una pistolero 2 1 Segnale quantizzato una sola fenditura aperta ambedue le fenditure aperte P 12 2P P2P2 P P1P1 </li> <li> Slide 15 </li> <li> Esperimento con onde Pensate al moto ondoso in porto con 2 imboccature (fenditure) come sorgenti di onde una sola fenditura aperta I1I1 sorgente donda 2 1 Ambedue le fenditura aperte Sorpresa : in vi meno risacca con ambedue le imboccature aperte ! I 12 4A 2 Segnale continuo Effetti caratteristici di ONDE frange di interferenza: I 12 I 1 + I 2 al centro: I 12 = (2A) 2 = 4A 2 ( e non 2I) ampiezza donda: A Intensit I = A 2 I2I2 I </li> <li> Slide 16 </li> <li> Onde e particelle: comportamenti diversi Sappiamo come investigare la natura degli elettroni: Onde ? o Particelle ? Queste propriet permettono di distinguerle sperimentalmente no (interferenza!) onde particellesi Quantizzazione? Additivit? si no Bianca C chi dice che la realt o Bianca o Nera. Ma proprio cos ??? </li> <li> Slide 17 </li> <li> Esperimento con elettroni 2 1 P2P2 P1P1 Segnale quantizzato Tic sul rivelatore (quantizzazione) particelle ! Interferenza onde ! ? ? una sola fenditura aperta ambedue le fenditura aperte P 12 cannone elettronico </li> <li> Slide 18 </li> <li> 2 1 P2P2 P1P1 Segnale quantizzato una sola fenditura aperta ambedue le fenditura aperte cannone elettronico Per ogni elettrone ora sappiamo se applicare P 1 o P 2 Infatti P 12 = P 1 + P 2 e linterferenza scompare ! Quando si sentono osservati gli elettroni hanno comportamento da particelle ! ? ? ? ? Per capire meglio illuminiamo gli elettroni e vediamo se passano da 1 o 2 P 12 </li> <li> Slide 19 </li> <li> Una congettura razionale ( ? ) Anche la luce quantizzata : anche particella ! ? ? ? ? Quindi riduciamo lintensit della luce per attenuare gli urti A bassissima intensit luminosa, la luce urta gli elettroni meno frequentemente ma con la stessa forza ! Ma quando lo vediamo niente interferenza ! Quasi sempre non vediamo lelettrone La luce troppo intensa colpisce gli elettroni e li devia Frange dinterferenza confuse tra loro </li> <li> Slide 20 </li> <li> Le differenze scompaiono ! Lelettrone che credevamo solo particella ha anche comportamento di onda ? ? La luce che credevamo solo onda (elettro-magnetica) ha anche comportamento di particella ? ? La realt pu essere anche un po bianca un po nera !!! Particelle come pacchetti di onde </li> <li> Slide 21 </li> <li> MECCANICA QUANTISTICA-ONDULATORIA LUCE e CORRENTE DI ELETTRONI sono QUANTIZZATE (a scatti) in PARTICELLE fotoni e elettroni FOTONI e ELETTRONI hanno anche un comportamento ONDOSO (con fenomeni di interferenza)...ma... particelleonde </li> <li> Slide 22 </li> <li> Nuova struttura matematica Mr. Hyde Distinguiamo da quale fenditura lelettrone passato Si sommano probabilit Comportamento di particelle nuova grandezza fisica A ampiezza di probabilit probabilit = ampiezza 2 come energia A 2 &gt; 0 Dr. Jekyll Si sommano ampiezze Interferenza come per onde Non distinguiamo da quale fenditura lelettrone passato Due comportamenti possibili (secondo le circostanze) </li> <li> Slide 23 </li> <li> DUALISMO ONDA - PARTICELLA Principio di Indeterminazione (Heisenberg, 1925) x p h/2 quantit di moto 1/ costante di Planck (fondamentale) Se lo localizziamo lo perturbiamo e perdiamo le frange dinterferenza, cio linformazione precisa sulla lunghezza donda : lelettrone appare come particella ! onda Elettrone rappresentato come onda cio non parliamo pi di una particella con una sua posizione ben precisa ma di probabilit di trovarlo in un punto = (ampiezza dellonda) 2 (quadro comune per onde e particelle) </li> <li> Slide 24 </li> <li> La nuova meccanica L equazione di Dirac (1927) descrisse il moto dellelettrone in regime relativistico e introdusse il concetto di anti-particella (Meccanica Quantistica-Relativistica) Meccanica Quantistica Una sorgente di luce di frequenza produce in realt pacchetti di luce (fotoni) di energia E = h ove h la costante di Planck (1900) </li> <li> Slide 25 </li> <li> E per i comuni corpi macroscopici ? (ad esempio pallottole) La fisica classica non smentita Abbiamo solo ampliato la visione al caso pi generale! Quindi non osserviamo alcun effetto quantistico-ondulatorio P 12 frange confuse e saldate tra loro masse grandi, quindi lunghezze donda piccolissime P 12 </li> <li> Slide 26 </li> <li> La Scienza progredisce senza smentirsi (ingloba nuove scoperte in una visione pi completa) Galileo pu stare tranquillo Esempio: la Relativit rispetto a terra Galileo Addizione di velocit v t = v + v 0 v t : velocit rispetto a terra Einstein e Lorentz Una addizione potrebbe portare a v 0 + v &gt; c ! (c = velocit della luce = massima velocit raggiungibile) Trasformazione di Lorentz (pi complessa) : sempre v c Relativit Galileiana : unottima approssimazione per v, v o </li></ul>