La Teoria dei Quanti per chi non ne sa niente - INFN Sezione di ...

Una Introduzione alla
Meccanica Quantistica
Roberto Battiston
Ferrara 8 febbraio 2007

Nei primi decenni del 1900, lo
studio della struttura dell’atomo
porto’ a dei risultati che non si
riuscivano a spiegare con la
Meccanica Classica

Partendo della descrizione della
meccanica di Newton l’atomo
poteva essere descritto come un
sistema solare di piccolissime
dimensioni

Si era capito infatti che gli atomi
erano composti di particelle pesanti di
carica positiva (protoni) poste al
centro dell’atomo (nucleo) e di
particelle molto piu’ leggere di carica
negativa (elettroni) disposti intorno al
nucleo

Problemi con il modello atomico planetario:
Perche’ gli atomi emettono e assorbono solo
luce di colore (energia) ben precisa?

Risposta di Niels Bohr (1915)
L’ atomo di idrogeno si comporta come
un sistema planetario in cui solo orbite
(energie di legame ) ben precise sono
permesse
Se l’elettrone si trova in
una di queste orbite allora
e’ stabile e ci rimane a
lungo altrimenti no

Emissione ed assorbimento di luce da parte dell’atomo di idrogeno
Modello di Bohr
Serie di
Lyman
ultravioletto
Serie di
Balmer
visibile
Serie di
Paschen
infrarosso

Il modello di Bohr ebbe grande successo, ma
non era in grado di spiegare perche’ solo alcune
orbite erano permesse
Era infatti un MODELLO e funzionava molto
bene solo con l’atomo piu’ semplice, l’idrogeno

Tavola Periodica degli Elementi
Dmitrii Ivanovich Mendeleev
1870

Perche’ il modello di Bohr funziona solo per
l’idrogeno ?
Perche’ gli atomi di un certo elemento sono tutti
eguali ?
Perche’ gli elettroni non collassano sul nucleo ?

• Heisenberg, De Broglie, Schroedinger trovano
indipendentemente la risposta
• Abbandonando l’intuizione comune della materia
composta di corpuscoli che percorrono traiettorie
• Basandosi sull’evidenza sperimentale, con una
teoria basata su cio’ che si puo’ misurare, e non su
cio’ che si puo’ immaginare
La materia ha
proprieta’ proprieta’
ondulatorie

Nel 1690 Christiaan Huygens
sostenne che la luce era composta
di onde mentre nel 1704 Isaac Newton
spiego’ che era fatta di piccole particelle.
Gli esperimenti hanno dato ragione ad entrambe le teorie, ma ne’
una teoria puramente corpuscolare ne’ una teoria puramente
ondulatoria puo’ spiegare tutti i fenomeni associati alla luce!
Per cui gli scienziati iniziarono a pensare che la luce sia allo stesso
tempo una particella ed un’onda
Nel 1923 Louis de Broglie ipotizzo’ che le particelle
di materia potessero avere proprieta’ ondulatorie
e nel 1927 fu verificato che gli elettroni possono
mostrare proprieta’ ondulatorie.

Tutti i miei magri sforzi
vanno nella direzione di
eliminare e rimpiazzare
adeguatamente il
concetto di orbita che
non possiamo osservare.
Lettera a Pauli, 1925
Io credo che l’esistenza di una traiettoria nel
senso classico puo’ essere formulata in modo
profondo dicendo che “La traiettoria diventa
reale solo quando la si osserva”.
Nella affermazione rigorosa della legge della
causalita’-”Se noi conosciamo esattamente il
presente, possiamo calcolare il futuro”- non e’ la
conclusione che e’ sbagliata ma il presupposto

Principio di indeterminazione
Heisenberg nel 1927
a 26 anni di eta’
Piu’ precisamente la
posizione e’ determinata
meno precisamente e’ noto
il prodotto velocita’x massa
in quell’istante e vice versa

Dalla biografia di Heisenberg. L’incontro con Einstein
Heisenberg: “Non possiamo osservare le
orbite degli elettroni in un
atomo…Ora, poiche’ una buona teoria deve
basarsi su quantita’ osservabili
direttamente, ho pensato fosse opportuno restringere la mia
analisi alle quantita’ misurabili, usandole per rappresentare
le orbite degli elettroni”
“Ma non credera’ seriamente”, protesto’ Einstein, ” che
solamente le quantita’ osservabili debbano fare parte di una
teoria fisica?”
“Ma non e’ esattamente quello che Lei ha fatto con la teoria
della relativita’?” chiesi sorpreso…
“Ehm, forse ho usato questo tipo di ragionamento”,
ammise Einstein, “ma ciononostante tutto questo e’
senza senso…..In realta’ e’ proprio l’opposto che
accade. E’ la teoria che decide quello che possiamo
osservare”

Cosa ci dice il principio di indeterminazione ?
Non e’ possibile definire la traiettoria di una
particella, non per limitatezze sperimentali ma
per motivi fisici fondamentali
Nulla al mondo mi puo’ dare
CONTEMPORANEAMENTE le DUE informazioni
necessarie per definire la traiettoria : posizione
e velocita’
La traiettoria NON esiste nel suo
divenire

Il nome del fuggitivo e’ Dr. Richard Kimble. Quello che voglio
da tutti voi e’ una ricerca sistematica.
In ogni distributore di gas, casa, negozio, fattoria, fino nei canili
in tutta quest’area.

Luce e materia condividono le stesse
proprieta’ complementari di essere
onda e particella

La danza degli orbitali atomici

Probabilita’ di una
molecola di
emettere un elettrone
con una certa energia
battiston1.mpg

Orbitali
di due
molecole
che si
scontrano
battiston2.mpg

attiston3.mpg

Effetto tunnel
Una particella non puo’ aggirare un
ostacolo……
ma un’ onda si’

attiston4.mpg

Una
particella
urta
un nucleo
denso
battiston5.mpg

Applicazioni
della Meccanica
Quantistica
Tutto cio’ che ha a che vedere con
gli atomi e la luce ….. ma non solo

Il laser

I raggi X
La fisica nucleare e subnucleare

Richard
Feynman
“Profeta” della
nanotecnologia

Condensazione di una “palla palla di carbonio” carbonio
battiston6.mpg

attiston7.mpg

attiston8.wmv
….e manipolare ..
Gli atomi si
possono vedere
a uno a uno…

Elementi di memoria basati su poche
decine di atomi
battiston9.mpg

L’esplosione della nanotecnologia
Rilascio controllato di medicine
battiston10.mpg
Nano motori,
nano industria,
nano meccanismi

The end
Le suites per Violoncello di Bach sono suonate da P. Casals