Svolgi sul quaderno i seguenti 24 esercizi sulla fisica quantistica, motivando sempre le risposte e mostrando i passaggi dei calcoli. Per le costanti usa: h = 6,626·10⁻³⁴ J·s; c = 3,0·10⁸ m/s; 1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ J; massa dell'elettrone m_e = 9,11·10⁻³¹ kg.
- L'ipotesi di Planck afferma che l'energia di un oscillatore elettromagnetico:
- A) può assumere qualunque valore continuo
- B) è quantizzata e proporzionale alla frequenza
- C) dipende solo dall'intensità della radiazione
- D) è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda al quadrato
- Secondo Einstein, nell'effetto fotoelettrico la corrente di elettroni emessi dipende dalla frequenza della luce ma non dalla sua intensità.
- Vero / Falso
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La relazione di de Broglie associa a ogni particella di quantità di moto p un'onda di lunghezza λ = ___ / p.
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Associa ogni scienziato al contributo storico per cui è ricordato nella fisica quantistica. | Colonna A | Colonna B | |---|---| | Max Planck | Spiegazione dell'effetto fotoelettrico | | Albert Einstein | Modello atomico con orbite quantizzate | | Niels Bohr | Dualismo onda-particella per la materia | | Louis de Broglie | Principio di indeterminazione | | Werner Heisenberg | Equazione della funzione d'onda | | Erwin Schrödinger | Ipotesi dei quanti di energia (1900) |
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Calcola l'energia in joule e in elettronvolt di un fotone di luce verde con lunghezza d'onda λ = 550 nm.
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L'effetto fotoelettrico NON avviene se:
- A) la luce è di alta intensità ma di frequenza inferiore alla soglia
- B) la luce è monocromatica
- C) la luce ha frequenza superiore alla soglia
- D) la luce è polarizzata
- Nel modello di Bohr l'elettrone irradia energia in modo continuo mentre percorre le sue orbite stazionarie.
- Vero / Falso
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Spiega in poche righe perché l'aumento dell'intensità di una luce di frequenza inferiore alla soglia non produce effetto fotoelettrico.
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Un metallo ha lavoro di estrazione W = 2,3 eV. Stabilisci se una radiazione di lunghezza d'onda λ = 400 nm produce effetto fotoelettrico e, in caso affermativo, calcola l'energia cinetica massima degli elettroni emessi.
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Il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce che Δx · Δp ≥ ___ / 2.
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Nell'esperimento della doppia fenditura eseguito con singoli elettroni, sullo schermo si osserva:
- A) una sola macchia centrale
- B) due strisce nette corrispondenti alle fenditure
- C) una figura di interferenza con frange chiare e scure
- D) un fascio uniforme senza struttura
- La lunghezza d'onda di de Broglie di un oggetto macroscopico, come una palla da tennis, è così piccola da essere praticamente non osservabile.
- Vero / Falso
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Calcola la lunghezza d'onda di de Broglie di un elettrone che viaggia a v = 2,0·10⁶ m/s. Usa la massa m_e = 9,11·10⁻³¹ kg.
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Descrivi che cosa rappresenta fisicamente la quantità |ψ|² nella meccanica quantistica.
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Quale di queste affermazioni descrive correttamente la costante di Planck h?
- A) È una grandezza con dimensione di energia
- B) Ha dimensione di un'azione (J·s)
- C) Ha dimensione di una frequenza
- D) È una grandezza adimensionale
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Associa ogni fenomeno fisico alla teoria o al concetto che lo spiega. | Colonna A | Colonna B | |---|---| | Spettro del corpo nero | Teoria dei fotoni di Einstein | | Emissione di elettroni da un metallo illuminato | Salti tra livelli di Bohr | | Righe spettrali dell'idrogeno | Onde di materia di de Broglie | | Diffrazione di elettroni su un cristallo | Ipotesi dei quanti di Planck |
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Il principio di indeterminazione è dovuto soltanto ai limiti tecnici degli strumenti di misura.
- Vero / Falso
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Un fotone ha energia E = 4,14 eV. Determina la sua frequenza e la sua lunghezza d'onda, classificando la radiazione (visibile, UV, IR).
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Nel modello di Bohr, l'energia emessa quando un elettrone passa dal livello n=3 al livello n=2 corrisponde a:
- A) E₂ + E₃
- B) E₃ − E₂
- C) h·(E₃ − E₂)
- D) (E₃ − E₂)/c
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Nell'effetto fotoelettrico, l'energia cinetica massima degli elettroni emessi vale E_c = h·f − ___, dove la grandezza mancante è il lavoro di estrazione.
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Descrivi in modo articolato l'esperimento della doppia fenditura con elettroni, indicando il risultato osservato e quale principio quantistico mette in evidenza.
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Il computer quantistico sfrutta fenomeni come la sovrapposizione di stati e l'entanglement per eseguire certi calcoli più velocemente di un computer classico.
- Vero / Falso
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Un elettrone è confinato in una regione di larghezza Δx = 1,0·10⁻¹⁰ m (circa la dimensione di un atomo). Stima l'incertezza minima sulla sua quantità di moto e sulla velocità usando ℏ ≈ 1,055·10⁻³⁴ J·s.
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Spiega con parole tue perché la fisica quantistica, pur descrivendo il mondo microscopico, ha un impatto enorme sulla tecnologia che usiamo ogni giorno, portando almeno due esempi concreti diversi da quelli citati nella spiegazione.