La fisica quantistica nasce a inizio Novecento per spiegare fenomeni che la fisica classica non riusciva a giustificare, introducendo idee rivoluzionarie come la quantizzazione dell'energia e il dualismo onda-particella.
Alla fine dell'Ottocento la fisica sembrava un edificio quasi completo: la meccanica di Newton, l'elettromagnetismo di Maxwell e la termodinamica spiegavano la maggior parte dei fenomeni osservati. Tuttavia alcuni esperimenti restavano inspiegabili, come lo spettro del corpo nero, l'effetto fotoelettrico e gli spettri a righe degli atomi. Per risolvere queste anomalie i fisici dovettero abbandonare l'idea che l'energia variasse in modo continuo e introdurre una nuova discontinuità nella descrizione della natura. Nacque così, fra il 1900 e il 1927, la fisica quantistica, che oggi è alla base della tecnologia che usiamo ogni giorno, dai laser ai transistor degli smartphone. In questa scheda vedremo le idee fondamentali che hanno scardinato la visione classica e aperto la porta a una descrizione completamente nuova del mondo microscopico.
La nascita dei quanti e il fotone
Nel 1900 Max Planck, studiando la radiazione emessa da un corpo nero, ipotizzò che gli scambi di energia fra materia e radiazione avvenissero solo per pacchetti discreti, detti quanti, di valore E = h·f, dove h è la costante di Planck e f la frequenza. Questa ipotesi, inizialmente considerata un artificio matematico, eliminava la cosiddetta catastrofe ultravioletta e segnava la nascita ufficiale della quantizzazione. Nel 1905 Albert Einstein riprese l'idea per spiegare l'effetto fotoelettrico, cioè l'emissione di elettroni da una superficie metallica colpita da luce. Einstein propose che la luce stessa fosse composta da quanti, i fotoni, ciascuno trasportante un'energia hf, e che un elettrone potesse essere estratto solo se il singolo fotone possedeva energia maggiore del lavoro di estrazione W del metallo. La legge fondamentale dell'effetto fotoelettrico si scrive quindi come E_cinetica_max = hf − W, ed essa spiega perché esiste una frequenza di soglia al di sotto della quale, anche con luce molto intensa, non si osserva alcun elettrone emesso. Per questa interpretazione, che fece crollare l'idea ottocentesca della luce come pura onda continua, Einstein ricevette il premio Nobel nel 1921.
Dualismo onda-particella e principio di indeterminazione
Nel 1924 Louis de Broglie estese il dualismo della luce a tutta la materia, ipotizzando che a ogni particella di quantità di moto p sia associata un'onda di lunghezza λ = h/p. Per oggetti macroscopici questa lunghezza d'onda è ridicolmente piccola e non osservabile, ma per gli elettroni essa diventa confrontabile con le distanze atomiche e produce effetti di diffrazione misurabili, come confermato dall'esperimento di Davisson e Germer nel 1927. Il dualismo si manifesta in modo particolarmente sorprendente nell'esperimento della doppia fenditura: anche inviando elettroni uno alla volta si forma sullo schermo una figura di interferenza, come se ogni singola particella interferisse con sé stessa. Nel 1927 Werner Heisenberg formulò il celebre principio di indeterminazione, secondo cui non è possibile conoscere simultaneamente posizione e quantità di moto di una particella con precisione arbitraria, valendo la relazione Δx·Δp ≥ h/(4π). Non si tratta di un limite degli strumenti, bensì di una proprietà intrinseca della natura: nel mondo quantistico le grandezze fisiche non hanno sempre un valore definito prima della misura. Di conseguenza la descrizione classica basata su traiettorie precise viene sostituita dalla funzione d'onda di Schrödinger, il cui modulo quadro fornisce la probabilità di trovare la particella in una certa regione di spazio.
Ricorda
- L'energia scambiata fra radiazione e materia è quantizzata secondo E = hf, e i fotoni spiegano l'effetto fotoelettrico tramite la relazione E_cinetica_max = hf − W.
- Ogni particella possiede un comportamento ondulatorio descritto da λ = h/p, e il principio di indeterminazione di Heisenberg fissa un limite invalicabile alla conoscenza simultanea di posizione e quantità di moto.
- La fisica quantistica non descrive traiettorie certe ma probabilità, attraverso la funzione d'onda.
Piccolo esercizio di verifica sul quaderno: calcola la lunghezza d'onda di de Broglie associata a un elettrone (massa 9,11·10⁻³¹ kg) che si muove a una velocità di 2,0·10⁶ m/s, usando h = 6,63·10⁻³⁴ J·s, e confronta il risultato con il diametro tipico di un atomo (≈ 10⁻¹⁰ m); commenta in due righe se gli effetti ondulatori dovrebbero essere rilevanti.