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LA "NUVOLA NERA" CHE OSCURA LA FISICA ALLA FINE DELL'OTTOCENTO

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LA "NUVOLA NERA" CHE OSCURA LA FISICA ALLA FINE DELL'OTTOCENTO.


Per discutere i risultati delle equazioni di Maxwell, teniamo in movimento una carica Q, facendola oscillare tra i punti A e A'. Poiché la posizione di Q varia, questo movimento genera un campo elettrico variabile, che a sua volta genera un campo magnetico variabile. Tale fenomeno si protrae all'infinito, nel senso che ogni campo elettrico variabile genera un campo magnetico variabile, e v 131c22b iceversa, generando quindi un campo elettromagnetico che si propaga anche nello spazio vuoto, con velocità c.  Ciò che si crea è proprio un'onda elettromagnetica, gia prevista da Maxwell nel 1861. Un'onda elettromagnetica trasporta energia e continua a propagarsi anche quando la carica che l'ha generata smette di muoversi. Lo studio delle onde elettromagnetiche si è rivelato particolarmente importante per osservare molti fenomeni, sia a livello microscopico, come ad esempio la struttura di un atomo, sia a livello macroscopico, come ad esempio i corpi celesti.

Ciò su cui vogliamo soffermarci, sono particolari corpi, definiti "corpi neri", i quali hanno la capacità di assorbire completamente le onde elettromagnetiche di qualunque lunghezza d'onda.

Verso la fine dell'Ottocento furono evidenziati alcuni fatti sperimentali che non potevano essere spiegati con i metodi della fisica classica. Come è noto, ogni corpo portato a temperatura abbastanza elevata, emette radiazioni termiche luminose e ultraviolette. Entro certi limiti, le caratteristiche della radiazione elettromagnetica emessa dal corpo dipendono dalla temperatura, dalla natura e dalla geometria della sorgente; ma se riscaldiamo sufficientemente il corpo, esso emette delle radiazioni la cui curva dipende esclusivamente dalla temperatura assoluta. Per qualsiasi corpo nero mantenuto alla stessa temperatura, la radiazione emessa presenta sempre lo stesso spettro: la radiazione dapprima aumenta all'aumentare della frequenza, e successivamente diminuisce per le alte frequenze presenti nello spettro. Secondo le leggi della fisica classica, invece, l'intensità dovrebbe indefinitamente crescere all'aumentare della frequenza, per cui l'energia totale della radiazione contenuta nel corpo nero dovrebbe essere infinita. Vi era ovviamente un'impotenza concettuale, che Kelvin definì la "nuvola nera" che stava oscurando la fisica.



La risoluzione a questo problema fu offerta solo nel 1900 da Max Planck, il quale formulò un modello che forniva risultati in perfetto accordo con le curve sperimentali, affermando che le onde elettromagnetiche non potessero essere emesse ad un ritmo arbitrario, ma solo sottoforma di pacchetti di energia  da lui chiamati quanti.

Ogni quanto possedeva una certa quantità di energia, la quale era proporzionale alla frequenza, e in questo modo ad una frequenza sufficientemente alta l'emissione di un singolo quanto avrebbe richiesto una quantità di energia superiore a quella disponibile. Perciò ad alte frequenze la radiazione si sarebbe ridotta, e il corpo avrebbe perso energia ad un ritmo finito. In questo modo Planck spiegò l'andamento dei grafici.

Ricordiamo che una grandezza si può definire continua quando non può essere espressa da un numero intero, ma solo da un numero reale, come ad esempio la distanza tra due punti, il tempo, un gas che fuoriesce da un recipiente. Una quantità si dice discreta se può essere espressa per mezzo di un numero intero naturale positivo o negativo, cosicché e pensabile farla variare in termini di unità.

Nasce così la "teoria dei quanti", destinata a rivoluzionare inevitabilmente tutta la fisica.



Fino ad allora, infatti, la fisica era basata sul concetto di determinismo, proposto da de Laplace, secondo cui doveva esserci un insieme di leggi scientifiche tale da consentirci di predire qualsiasi accadimento futuro nell'universo, purché avessimo conosciuto compiutamente lo stato dell'universo in un tempo dato. L'ipotesi quantistica, però, indusse Heisenberg, nel 1926, a formulare il suo famoso principio di indeterminazione. Per predire la posizione e la velocità di una particella in un certo futuro, si doveva essere in grado di misurare con esattezza la posizione e la velocità presenti. Per farlo bisognava proiettare un fascio di luce sulla particella. Secondo l'ipotesi quantistica bisognava proiettarne almeno un quanto, e questo quanto perturberà la particella e ne modificherà la velocità, in un modo che non può essere predetto. In altri termini, quanto maggiore sia la precisione con cui si tenta di misurare la posizione, tanto meno esattamente se ne potrà misurare la velocità. Il principio di indeterminazione afferma che il prodotto dell'incertezza nella posizione della particella, per l'incertezza nella velocità, per la massa, non può mai essere inferiore ad una quantità nota come "costante di Planck" (h=6.2607 x 10-34 Js).






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