Thirtu Years That Shoot Physics

14-16

Conti Nicolo, Corinzia Luca, Savia Andrea, Sciuto Gıanfranco Liceo Scientifico “Enrico Boggio Lera” Catania, Italy [email protected]

Thirty Years that Shoot Physics

Trent’Anni che sconvolsero la Fisica

Physics has just discovered everything; we only have to clarify some details. After a century these words by Philip

La fisica ha ormai scoperto quasi tutto, bisogna solo chiarire alcuni dettagli.

A distanza di più di cento anni le parole che von Jolly to Max Philip Von Jolly, proPlank make us underfessore di fisica a Mostand that human naco, rivolse a Max imagination is limited Planck, allora studente, compared to the infinite ci danno l’idea di quanto expressions of nature. sia limitato l’immagiClassic mechanics has nario umano rispetto dominated the common alle infinite manifestascenery and the ideas zione della natura. of the world, based on La meccanica clasdeterminism: all that sica ha condizionato lo happened had a specific scenario comune e la reason and specific efconcezione umana del BOHR'S ATOMIC MODEL IL MODELLO ATOMICO DI BOHR fects took place, until in mondo, incentrata sul ‘1900 Max Planck modello deterministico: changed it radically with a new concept, outtutto ciò che avveniva aveva una causa defiside the classic physics. In fact Max nita a cui seguiva un effetto definito, fino a Planck formulated in 1900, the concept of quando nel Novecento, appunto, Max the quantum leap of energy to Planck la rivoluzionò introducenexplain the spectrum of emisdo un nuovo concetto, che non sion of a black body. That is an faceva parte della fisica classiideal body capable of absorbca. Max Planck espose, infatti ing the entire radiation incident on its surface and in which a balnel 1900, il concetto di quanance between the emitted and tizzazione dell’energia per the absorbed radiation takes spiegare lo spettro di emissioplace. So that all the power of ne del corpo nero: ovvero un the light does not depend from corpo ideale capace di assorbire the chemical composition of a tutta la radiazione incidente sulbody, but only from its temla sua superficie e nel quale avperature. In fact, the latter deviene un equilibrio tra la radiapends on the relation between zione emessa e quella assorbiemitted and absorbed radiata, in maodo che l’intensità di MAX PLANCK tion, which is the same in a luce complessiva non dipenda specific temperature. Classic physdalla composizione chimica del corpo ma

36

History of Science and Technology

14-16

European Pupils Magazine

ics could not explain the behavior of the dalla sua temperatura. Essa, infatti, dipenlight power and for this reason Planck’s de dal rapporto tra la radiazione assorbita constant was employed: the new physics, e quella emessa, che è uguale in tutti corpi trained to the classic one, was called quanad una data temperatura. La fisica classitum mechanics, based on the non-linear ca non riusciva a spiegare l’andamento delconception of energy. l’intensità luminosa ed è per questo motiThis idea was not accepted by the vo che fu introdotta la costante di Planck: physicists of the time, since in 1905, Alnacque una nuova fisica, detta quantistibert Einstein solved the photoelectric efca, che, contrapposta a quella classica, si fect paradox by describing light as combasava su una concezione discontinua posed of discrete quanta, rather than condell’energia. tinuous waves. The Questa idea non photoelectric effu accettata dai fisifect is a phenomeci del tempo, tuttanon in which elecvia tornò in auge per trons are emitted spiegare l’effetto from matter after fotoelettrico, espethe absorption of rimento condotto da energy from elecAlbert Einstein nel tromagnetic ra1905. Tale esperidiation. According mento consisteva to the energy connell’estrazione di eservation law, the lettroni dalla superenergy radiated ficie di un metallo DE BROGLIE'S ATOMIC from radiation, da parte di radiaMODELLO ATOMICO DI DE BROGLIE moves partly to the zione luminose kinetic energy of the electrons. Classic incidenti ad essa. Per la legge di conservamechanics predicted theoretically that zione dell’energia, l’energia irradiata each increase of the power of light radiadalle radiazioni si trasferisce quindi in parte tion coincided with the increase of the elecall’energia cinetica degli elettroni. tron kinetic energy. La meccanica classica prevedeva teoriThe experimental evidence did not concamente che all’aumentare dell’intensità firm this theory, but rather it observed an della radiazione luminosa aumentasse l’eincrease in the number of electrons with nergia cinetica degli elettroni. L’evidenza the same kinetic energy that was equal to sperimentale non confermò questa previsiothe initial one, according to the energy conne, anzi registrò l’aumento di numero degli servation law. It was understood that enelettroni aventi tutti la stessa energia ciergy could be stored only in moderate netica uguale a quella iniziale, rispettando la quantity, called quanta. legge di conservazione. Si capì pertanto che In 1913, Niels Bohr used the quantum l’energia poteva essere immagazzinata soltheory to explain the intermittent spectrum tanto in quantità discrete, chiamati quanti. of emission of an atom. He hypothesized Nel 1913 Niels Bohr utilizzò la teoria that the electrons that were arranged in dei quanti per giustificare lo spettro di ecircular orbits have specific energy value; missione discontinuo degli atomi. Egli when an electron absorbs a quantum of ipotizzò un atomo nel quale gli elet-

37

14-16

History of Science and Technology

European Pupils Magazine

energy gains energy and, consequently, troni fossero disposti in orbite circolari atravels in a higher level energy orbit. venti ognuno un proprio valore di energia; Thus, a condition of instability, for which the quando un atomo assorbiva un quanto di electron returns to the initial condition emitenergia l’elettrone cambiava orbita e, di ting the quantum of conseguenza, livello eenergy earlier absorbed nergetico, rispettando in form of electromagla legge di conservanetic radiation. The zione dell’energia. Si spectrum of emission raggiunse in tal modo resulted non-linear beuna condizione di instacause an atom could bilità per la quale l’eletabsorb and emit only a trone ritorna alla condidefinite quantum of zione di partenza emetenergy and no intermetendo il quanto di energia assorbito precediate value, according to dentemente sotto forma which a continuous spectrum of emission di radiazione elettroHEISENBERG AND DE BROGLIE magnetica. Lo spettro could be obtained. Exdi emissione risultò discontinuo in quanto perimental evidence, testified that a moderate energy value existed also for electroun atomo poteva assorbire ed emettere solo quanti di energia definiti e non valori intermagnetic radiation, defined as quanta of medi per i quali si otterrebbero spettri di light or photons. With these discoveries emissione continui. Le evidenze sperimenphysicists temporally abandoned the wave tali testimoniarono, quindi, che esistono valotheory in favour of a revaluation of the parri discreti di enerticles theory, engia anche per le visaged for the first time by Isaac radiazioni elettromagnetiche definiNewton in the te quanti di luce o XVII century. fotoni. Con queste Yet, Newton’s scoperte si abbanparticle interpretadonò temporaneation was challenged mente la teoria by experiments ondulatoria in fawhich emphasized vore di una rivalutaphenomena of difzione di quella corfraction and inTHE TWO LOGICAL POSSIBILITIES puscolare, avanzata terference of the LE DUE POSSIBILITÀ LOGICHE per la prima volta light, characteristic da Isaac Newton nel XVII secolo. of wave movements. The first of these exL’interpretazione corpuscolare neperiments was performed by Thomas wtoniana, tuttavia, fu messa in crisi dagli Young in 1801. A light source that lights esperimenti che evidenziarono fenomeni di up two small cracks made in an opaque diffrazione e di interferenza della luce, screen, and the images of the cracks are caratteristici dei moti ondulatori. Il primo projected on a photographic plate. At the di questi esperimenti fu quello di Thomas end of the experiment he observed an

38

History of Science and Technology

14-16

European Pupils Magazine

Young, nel 1801, che alternation of light and dark lines; this was a può essere così schematizzato: una sorgente lumiconsequence of the internosa illumina due piccole f e r en c e among the waves. It can only take fenditure praticate in uno schermo opaco, e le immaplace between two or more waves and, in this gini di queste sono proietcase, they are obtained tate su una lastra fotografrom the diffraction that fica. Al termine dell’esperitakes place on the passage mento si osserva, nella laof initial light beam bestra fotografica, un’altertween the two cracks. nanza di frange chiare e These effects of diffracscure; ciò è una consetion and interference guenza dell’interferenza are typical of wave-like tra onde. Essa, però, può motions and they are not avvenire soltanto tra due o included in the corpuscupiù onde e, in questo caso, HEISENBERG'S IDEAL EXPERIMENT lar theory. esse sono ottenute dalla ESPERIMENTO IDEALE DI HEISENBERG This theory too, was diffrazione che si verifica questioned by the experiment of the photoal passaggio tra le due fenditure dell’iniziale electric effect, which envisaged a nonfascio luminoso. Questi effetti, di diffralinear energetic behavior of the light and zione e di interferenza, sono tipici di moti not reckoned for by wave theory. The ondulatori e non sono integrabili nella teoquantum theory was formulated according ria corpuscolare della luce. Anche questa to which light is made of quanta of enteoria fu però messa in crisi dall’esperimenergy. The relativistic theory proposed by to dell’effetto fotoelettrico che prevede Albert Einstein, at the beginning of the XX un comportamento energetico disconticentury, ‘explains that they should be nuo della luce non previsto dalla teoria onequivalent to small mass concentrations, redulatoria. Nasce così la teoria quantistica ferring to Newton’s particle theory. della luce, per la quale essa è formata da Physicist inferred that the two theories, quanti di energia. Quest’ultimi, per la teoexamined separately, could not describe all ria relativistica proposta da Einstein, agli light phenomena. The wave mechanics albori del’900, equivarrebbero a piccole conin fact, did not provide photons, while centrazioni di massa, richiamando così la quantum theory did not include the pheteoria corpuscolare di Newton. nomena of diffraction and interference. Si dedusse però che le due teorie, prese The only solution was to conciliate both singolarmente, non potevano descrivere tutti theories: that is the light dual wave- pari fenomeni luminosi. La teoria ondulatoria, infatti, non prevedeva i quanti di luce ticle theory. In 1925 Louis De Broglie, mentre la teoria quantistica corpuscolare on experimental evidence, generalized this non includeva fenomeni di diffrazione e di theory for every body. In the experiments interferenza. of the two cracks, in fact, substituting the L’unica soluzione era conciliare entrambe light beam with an electron one, the phenomenon of diffraction and interference le teorie: nasce così la teoria dualistica was clearly observed. The mathematic reonda-corpuscolo. Nel 1925 Louis

39

14-16

History of Science and Technology

European Pupils Magazine

lation obtained by De Broglie, as compared to a determinate body, allows to state its wave-length, which is inversely proportional to the quantity of the body motion. The duality wave-particle is based on the fact that sometimes the electromagnetic waves can behave as particles and vice versa. Particles such as electrons can behave indeterminately because they diffuse in the space. De Broglie’s theory has been applied to the study of the atom structure; the development of the atomic model is connected to the quantum theory. From Bohr’s atomic model we know that the electrons cannot occupy any orbit, but rather definite orbits with determined energy level. De Broglie made the understanding of this restriction easier, since every electron describes a stationary wave around the nucleus which, not to cancel itself, can only be a whole multiple of the wave-length. The electron, therefore, cannot occupy any orbit, because, if so, the delineated wave would cause a destructive overlap. The energetic levels and the relative wave functions that the electron can occupy, are, on the contrary, obtained from the solutions of the equation formulated by the Austrian physicist Erwin Schrodinger, in 1926. This equation, which considers all the energy contributions of the system, results in discreet values of the possible wave functions and the corresponding energy values; and we are able to calculate the energy leap of an electron from a level to another one, so called quantum jump, already introduced by Bohr. Later the British physicist Max Born gave further contribution to the quantum mechanics development, interpreting Schrodinger’s equation in a probabilistic way. Such interpretation, applied to the description of the atomic structure, im-

40

De Broglie, basandosi su evidenze sperimentali, generalizzò tale teoria a qualsiasi corpo. Nell’esperimento delle due fenditure, infatti, sostituendo al fascio di luce un fascio di elettroni, si ottengono ugualmente fenomeni di diffrazione e di interferenza. La relazione matematica ottenuta da De Broglie, rispetto ad un determinato corpo, ci permise di conoscere la lunghezza d’onda

THOMAS YOUNG

di quest’ultimo, che si rivela inversamente proporzionale alla quantità di moto del corpo. La dualità onda-corpuscolo si basa sul fatto che talvolta le onde elettromagnetiche possono comportarsi come particelle e, viceversa, particelle come gli elettroni possono comportarsi in modo indeterminato, perché diffuse nello spazio. La teoria di De Broglie è stata applicata allo studio della struttura dell’atomo; lo sviluppo del modello atomico è legato a quello della teoria quantistica. Dal modello atomico di Bohr sappiamo che gli elettroni non possono occupare un’orbita qualsiasi, bensì orbite definite con determinati livelli di energia.

History of Science and Technology

14-16

European Pupils Magazine

plied the partial neglect of Bohr’s atomic model. The circular orbits proposed by the latter, in fact, are in contrast with the probabilistic character that the interpretation of Schrodinger’s equation gives to the determination of the electron position in an atom. We have then, the new concept of orbital defined as a region of space in which an electron with a determined energy value is most likely to be found. A further research in the field of the microcosm was made possible, immediately after Schrodinger’s works, by Werner Heisenberg with his principle of indetermination. Such principle was inferred by an ideal experiment, which consist in determining the particle position and speed, and, therefore, in determining its present and future position. These quantities are measured with the emission of electromagnetic waves on the particles, in order to perform these measures their motions have to be disturbed. The more we want to be accurate in the position, the more the radiation wavelength has to be reduced; in doing so the frequency increases and consequently the energy, too. The particle will be more disturbed, therefore compromising the precise measure of its motion quantity. This indetermination is a limit which derives from the nature of the matter and it does not depend on the precision of our instruments. The mathematic formula, at the basis of indetermination was formulated in 1927 by Heisenberg and it focuses an inversely proportional relation between indetermination on the position and that on the motion quantity. The macroscopic behaviour of the matter is different from the microscopic one. In fact in classic physics the knowledge of the position and speed of a material point in a specific moment is sufficient to predict its future route. Instead the quantum mechanics proposes a model in

PHOTOELECTRIC EFFECT EFFETTO FOTOELETTRICO

De Broglie ci aiutò a comprendere queste restrizioni, poiché ogni elettrone descrive un’onda stazionaria intorno al nucleo che, per non annullarsi, può soltanto essere un multiplo intero della lunghezza d’onda. L’elettrone, quindi, non può occupare qualunque orbita, poiché se così fosse l’onda delineata causerebbe una sovrapposizione distruttiva. I livelli energetici e le relative funzioni d’onda che l’elettrone può occupare, invece, sono date dalle soluzioni dell’equazione formulata dal fisico austriaco Erwin Schrodinger, intorno al 1926. Questa equazione, che tiene conto di tutti i contributi di energia del sistema, fornisce come risultato i valori discreti delle funzioni d’onda possibili e i corrispondenti valori di energia; ed è, inoltre, possibile calcolare i salti di energia di un elettrone da un livello ad un altro, i cosiddetti salti quantistici, introdotti già da Bohr. Il fisico britannico Max Born, in seguito, dette un ulteriore contributo allo sviluppo della meccanica quantistica, dando un’interpretazione probabilistica all’equazione di Schrodinger. Tale interpretazione, applicata alla descrizione della struttura atomica, implicò in parte l’abbandono del modello atomico di Bohr. Le orbite circolari proposte da quest’ultimo, infatti, risultano in contrasto con il carattere probabilistico che l’interpretazione dell’equazione di

41

14-16

History of Science and Technology

European Pupils Magazine

which the phenomena taking place on atomic level are described on a probabilistic basis. All that we observe in this field is beyond our imagination, because humans are accustomed to interpreting macroscopic reality with deterministic laws, which cannot be applied to microscopic phenomena and so they appear inexplicable, clashing with our common sense: nature appears unnatural. Albert Einstein, in The Evolution of Physics co-authored by Leopold Infeld, affirms that that science is a

Schrodinger dà alla determinazione della posizione di un elettrone in un atomo. Viene, quindi, introdotto il nuovo concetto di orbitale definito come la regione di spazio in cui si ha la massima probabilità di trovare l’elettrone con un determinato valore di energia. Un ulteriore sviluppo sul fronte del microcosmo si ebbe, subito dopo i lavori di Schrodinger, da parte di Werner Heisenberg con il suo principio di indeterminazione. Tale book in which the word WAVE-PARTICLE DUALITY principio fu de<end> has not and will DUALITÀ ONDA-CORPUSCOLO dotto attraverso never be written. Each un esperimento ideale che consiste nel deterimportant progress sets new questions minare la posizione e la velocità di una in motion in time, each development particella e, quindi, nel poter determinare la will lead to new and deeper difficulties. sua posizione istantanea e futura. With this consideration it is evident that Queste grandezze vengono misurate con also the quantum theory, similarly to clasl’emissione di onde elettromagnetiche sic physics, in the future could be substisulla particelle, quindi per eseguire queste tuted by a new theory that, exposing as misurazioni bisogna disturbare il suo moto. false the quantum theory principles, will Tanto più si vuole essere precisi sulla posipropose a new, innovative and revolutionzione, tanto più bisogna diminuire la lunary vision of the world. ghezza d’onda della radiazione; così faEach theory, in fact, is temporary and its cendo aumenta la frequenza e di consevalue does not depend on its persistence in guenza anche l’energia. La particella veran immutable form, but it depends on the rà, quindi, disturbata maggiormente comprofact that new knowledge can lead to a new mettendo la precisione della misurazione theory. We are waiting, therefore, for a new della sua quantità di moto. Questa indeterPlanck who will propose a more complete minazione è un limite che nasce dalla natutheory. ra dalla materia e non dipende dalla precisione dei nostri strumenti. La formula maBibliography tematica, alla base dell’indeterminazione, fu • Davies Paul, Le forze della natura, 1990, formulata nel 1927 da Heisenberg, e focaBollati Boringhieri, Torino lizza una relazione di inversa proporzio• Einstein Albert e Infeld Leopold, L’Evolunalità tra l’indeterminazione sulla posizione zione Della Fisica, 1938, Universale Bollati e quella sulla quantità di moto. Boringhieri, Torino Il comportamento della materia su scala • Feynman Richard, Sei pezzi facili,

42

History of Science and Technology

14-16

European Pupils Magazine

1963, Adelphi, Milano • Gamow Gorge, Trent’anni che sconvolsero la fisica, 1966, Zanichelli, Bologna • Gamow Gorge, Biografia della fisica, 1961, Oscar Mondatori, Milano • Penrose Roger, La mente nuova dell’imperatore, 2000, Biblioteca Universale Rizzoli, Milano • Zeilinger Anton, Il velo di Einstein. Il nuovo mondo della fisica quantistica, 2003, Einaudi, Torino •

•

•

•

• •

•

•

Iconography Max Planck, www.physics.gla.ac.uk/ Physics3/Kelvin_online/clouds.htm, University of Glasgow – Department of Physics and Astronomy Effetto fotoelettrico, http:// commons.wikimedia.org/wiki/ File:EffettoFotoelettrico.png – Wikimedia Commons Modello atomico di Bohr, www.anisn.it/ vicenza/scuole/Piga_lab/fiamma02.htm, ANISN Associazione Nazionale Degli Insegnanti di Scienze Naturali Schrodinger’s Results, http:// stochastix.wordpress.com/2007/09/06/ wave-particle-duality-a-cartoon/, Reasonable Deviations, Image courtesy of N. Harding Wave-Particle Duality, www.quantiki.org/wiki/images/4/46/ PhotonIdentityCartoon.gif, Quantiki portal The two logical possibilities, Young’s experiment, http://cs-exhibitions.uniklu.ac.at/index.php?id=254, people behind informatics – universitat klagenfurt Thomas Young, http:// renesse.berloth.net/index.php? page=photography.htm – Van Renesse Consulting De Broglie’s atomic model, www.sr.bham.ac.uk/xmm/atom1.html, University of Birmingham – Astrophysics & Space Research Group

macroscopica è, però, diverso da quello che noi osserviamo a livello macroscopico. In contrapposizione al carattere deterministico della fisica classica, in cui la conoscenza della posizione e della velocità di un punto materiale in un dato istante è sufficiente per poter predire il suo percorso futuro, la meccanica quantistica propone un modello nel quale i fenomeni che avvengono a livello atomico vengono descritti su base probabilistica. Tutto ciò che si osserva in quest’ambito è al di fuori della nostra immaginazione, in quanto l’uomo è abituato ad interpretare la realtà macroscopica attraverso leggi deterministiche. Queste ultime non possono essere applicate ai fenomeni che avvengono su scala microscopica, e pertanto esse appaiono inspiegabili scontrandosi con il senso comune: la natura ci appare innaturale. Da quanto detto emerge la considerazione di Albert Einstein, in L’Evoluzione della Fisica, che

la scienza è un libro nel quale la parola non è e né sarà mai scritta. Ogni importante progresso fa nascere nuovi quesiti. Alla lunga ogni sviluppo conduce a nuove, e più profonde difficoltà.

Alla luce di questa riflessione risulta evidente che anche la teoria quantistica, in maniera analoga alla fisica classica, in futuro potrà essere sostituita da una nuova teoria che falsificando i principi della teoria dei quanti, proporrà una nuova visione del mondo innovativa e rivoluzionaria. Ogni teoria, infatti, è provvisoria e il suo valore non dipende dalla sua persistenza in forma immutata, ma dal fatto che in seguito a nuove conoscenze possa essere integrata da una nuova teoria. Stiamo, quindi, attendendo un nuovo Planck che, proponendo una teoria più completa accoglierà e supererà il vecchio maestro così come Einstein ha accolto e integrato Newton.

43