laboratorio di fisica moderna pls - 2018-19 -1 · 1. postulato della relatività le leggi della...

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