Nascita della Meccanica Quantistica (MQ) - Il problema del Corpo Nero
La fisica dei quanti è definita, più propriamente, Meccanica Quantistica, poiché rappresenta l’evoluzione della meccanica classica newtoniana, nata per studiare il moto dei corpi.
La meccanica classica descriveva molto bene il comportamento dei fenomeni di movimento osservabili nella vita quotidiana, ma risultava del tutto inadeguata a comprendere l’azione delle forze a livello atomico e subatomico. Una serie di problemi rimanevano insoluti ai fisici della fine dell'800 e tra questi ce n'era un uno che avrebbe dato il via a una rivoluzione concettuale straordinaria: il problema del corpo nero!
Che cos'è un corpo nero?
E' un oggetto ideale - infatti un corpo nero perfetto non esiste in natura - la cui caratteristica fondamentale è quella di assorbire tutta la radiazione elettromagnetica in arrivo su di lui (ad es. la radiazione infrarossa, la luce visibile, la radiazione ultravioletta, ecc...). Il corpo nero è un perfetto assorbitore ed è chiamato così proprio perchè quando un oggetto assorbe tutta la radiazione visibile assume un colore nero (al contrario quando la riflette tutta assume il colore bianco).
Lo spettro delle frequenze elettromagnetiche, con evidenziata la porzione della luce visibile.
Ogni oggetto se riscaldato emette delle onde elettromagnetiche, non emetterebbe più alcuna radiazione solo se lo si portasse il più vicino possibile allo zero assoluto (-273,15 °C). Un oggetto a temperature ordinarie che emette calore, ad es. il corpo umano con i suoi 36,5 °C circa, sta emettendo una radiazione principalmente sotto forma di raggi infrarossi. Mano a mano che un corpo viene riscaldato comincia ad avere dei picchi di emissione nell'ambito delle frequenze elettromagnetiche della luce visibile ed è per questo che prima diventa rosso, poi arancio, giallo, ecc.. (si ha il "calor bianco" e la luce si vede bianca quando si raggiungono i 1200 °C).
Da questo si deduce che il nome "corpo nero" è un termine tecnico che deriva solo dalla caratteristica di avere una completa assenza di riflessione, ma in realtà quando si scalda il suo colore può cambiare in base della temperatura che raggiunge.
Lo spettro di emissione
Torniamo adesso al nostro corpo nero ideale. Non riflettendo nessuna parte della radiazione incidente, le frequenze che emette dipendono solo dalla sua temperatura (non dalla forma o dal materiale di cui è fatto) e possono essere tracciate delle curve che studiano l'intensità della radiazione emessa ad ogni frequenza (ad es. quanta energia infrarossa emette, cioè a bassa frequenza? Quanta luce visibile rossa, arancione, gialla, ecc…? Quanto ultravioletto, cioè ad alta frequenza?), in base alla variazione della temperatura.
Il problema sorgeva proprio qua... quando si confrontavano i grafici ideali dell'emissione elettromagnetica di un corpo nero con quelli sperimentali (ciò che più si approssima ad un corpo nero ideale è una struttura nera e cava che non permette alla radiazione di uscire) c'era una netta discrepanza. La curva teorizzata dalle leggi dell’elettromagnetismo classico (studiata da Rayleigh-Jeans) era congruente con gli esperimenti solo alle basse frequenze, ma alle alte frequenze differiva sempre di più; in teoria il valore doveva subire un’impennata ed in pratica tornava verso lo zero! Questa incongruenza era conosciuta come "catastrofe ultravioletta".
In nero i dati sperimentali e in rosso la curva teorica.
La soluzione di Planck
La soluzione del problema del corpo nero venne presentata da Max Planck il 14 dicembre 1900 e questa data è convenzionalmente considerata la data di nascita della Fisica Quantistica.
Planck risolse il problema con un un artificio matematico: ipotizzò che gli scambi di energia tra gli atomi di un corpo qualsiasi e la radiazione elettromagnetica avvenissero attraverso quantità discrete e non tramite un flusso continuo, come previsto dalla teoria classica. Queste quantità discrete furono da lui stesso definte quanti (dal latino”quantum” - porzione discreta, appunto).
Differenza tra una quantità discreta ed una quantità continua,
della seconda ne possiamo usufruire a piacimento, della prima siamo limitati alle grandezze disponibili.
Planck, in pratica, considerò gli atomi che emettevano energia come dei piccoli oggetti oscillanti e ipotizzò che l’energia emessa non poteva essere arbitraria, ma doveva essere proporzionale alla frequenza di oscillazione. Più specificatamente i piccoli "pacchetti" di energia emessi (E) dovevano essere multipli della frequenza (ν, che si legge "ni") per una certa costante, oggi nota come costante di Planck (h = 6.63x10-34 Joule per secondo).
(Energia = costante di Planck x frequenza) Rifacendo tutti i calcoli considerando la quantizzazione degli scambi energetici, la curva teorica veniva finalmente a coincidere con quella reale!
Planck, in effetti, riteneva di aver soltanto giocato un po’ con la matematica e la soluzione non lo convinceva del tutto, riteneva infatti che in futuro altri fisici avrebbero risolto la questione in modo migliore. Nel tempo si dissociò dalla teoria quantistica, in quanto non fu in grado di accettare la rivoluzione concettuale che stava apportando.
Ricapitolando...
Verso la fine dell'800 lo studio dell'emissione elettromagnetica dei corpi aveva rivelato un'incongruenza tra i risultati sperimentali ed i risultati che ci si sarebbe aspettati secondo la teoria classica. Il problema sembrava non avere soluzione.
Planck cerca di risolverlo adattando le formule matematiche ed inserendo il concetto che lo scambio di energia potesse avvenire a pacchetti e non in modo continuo. Questa era un'idea strana e innovativa, non c'era alcuna ragione di pensare che l'energia non fosse un flusso continuo, però di fatto risolveva il problema e le curve teoriche e sperimentali coincidevano.
L'idea dei quanti, come li chiamò Planck, inizia a farsi strada!
Per approfondimenti vedere:
* "Campo magnetico terrestre!!! Linee di campo. Proprietà magnetiche della materia." ... luglio 2012.
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* "Elettromagnetismo!!!" ... luglio 2012.
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* "Le onde luminose che percepiamo come colori: frequenze e lunghezze d'onda!!!" ... giugno 2012.
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* "IL PATRIARCA: Max Karl Ernest Planck (23/04/1858-04/10/1947)" ... giugno 2012.
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