Teoria dei quanti
Che cosa afferma la teoria dei quanti?
La teoria dei quanti (detta anche meccanica quantistica o fisica quantistica) è quella teoria fisica che spiega il comportamento della materia e della radiazione e le loro reciproche interazioni a livello particellare subatomico.
Per descrivere quindi il mondo subatomico di nuclei atomici, elettroni, protoni e altre particelle non va più bene utilizzare le regole della fisica classica ma bisogna utilizzare un approccio quantistico.
Su cosa si basa la teoria dei quanti?
La teoria dei quanti si basa su un concetto fondamentale cioè quello della quantizzazione. L'energia può essere scambiata solo a pacchetti o quanti. Ogni quanto possiede un'energia pari al prodotto:
E = h ∙ f
in cui h è la costante di Planck o quanto di azione che assume valore pari a 6,626 ∙ 10-34 J∙s.
La teoria dei quanti spiega brillantemente tutta una serie di fenomeni solitamente abbinati proprio alla teoria dei quanti stessa e per ognuna delle quali è richiesta una specifica trattazione. Vediamo in breve quali sono questi fenomeni essenziali che costituiscono la teoria dei quanti.
Radiazione di corpo nero
Max Planck ipotizza che materia e radiazione scambino energia in quantità elementari ovvero in quanti di energia. Ogni quanto possiede energia pari a h ∙ f.
Con questa nuova idea si supera la catastrofe ultravioletta a cui porta l'applicazione delle leggi della fisica classica per spiegare l'andamento a forma di campana dello spettro di emissione di un corpo nero.
Effetto fotoelettrico
Anche quando la radiazione scambia energia con oggetti materiali risulta quantizzata. Ogni pacchetto di luce o fotone come Einstein lo definì porta con sé un'energia pari a h ∙ f. Questa assunzione spiega perfettamente l'effetto fotoelettrico.
Una radiazione anche molto intensa ma di pochissimo sotto una certa frequenza soglia che illumina una lamina metallica non riesce a far emettere elettroni alla lastra.
Aumentando la frequenza di pochissimo fino alla frequenza soglia anche riducendo enormemente la potenza invece permette l'emissione di fotoelettroni.
La luce è costituita da particelle dette fotoni, ogni fotone ha un'energia proporzionale alla frequenza dell'onda.
Non conta aumentare l'intensità della radiazione utilizzata perché questo significherebbe solo aumentare il numero di fotoni inviati alla lastra; fino a quando ogni fotone ha un'energia inferiore all'energia minima di emissione dell'elettrone questo non verrà espulso dal metallo.
Si veda anche: effetto fotoelettrico.
Effetto Compton
La natura particellare della luce sotto forma di quanti cioè di fotoni spiega anche l'effetto Compton per cui quando della radiazione elettromagnetica interagisce con un elettrone avviene uno scambio di energia come se ci fosse un urto tra due particelle.
L'elettrone infatti se inizialmente fermo una volta che è stato colpito dalla radiazione verrà messo in movimento con un certo angolo mentre la radiazione diffusa con un altro angolo avrà lunghezza d'onda maggiore.
Questo fenomeno è spiegabile grazie alla teoria dei quanti secondo cui la luce si comporta come una particella il fotone privo di massa ma dotato di energia pari a h ∙ f che cede all'elettrone parte della propria energia e per la legge di conservazione della quantità di moto dunque diminuisce la propria energia diminuendo la propria frequenza e aumentando la propria lunghezza d'onda.
Si veda anche: effetto Compton.
Atomo di Bohr e spettri di emissione
Così come la luce ha una doppia natura di particella ed onda anche la materia a livello microscopico può essere interpretata come particella o onda.
Ad ogni particella è assegnata una lunghezza d'onda tipica detta lunghezza d'onda di de Broglie pari al rapporto tra la costante di Planck h e la quantità di moto della particella.
In tal modo pensando all'elettrone che orbita intorno al nucleo dell'atomo come a un'onda è necessario definire delle ben determinate lunghezze d'onda per far in modo che l'orbita si chiuda. Questo spiega perché l'elettrone non finisce per emettere tutta la sua energia sotto forma di radiazione e cadere nel nucleo.
Proprio perché pensando in termini di onda si deduce che esiste un livello minimo di energia corrispondente ad una precisa orbita in cui l'elettrone è posizionato. Ogni orbitale attorno al nucleo allora corrisponde ad un ben preciso livello di energia e l'elettrone non può occupare stati intermedi passando da un orbitale ad un altro. Ciò spiega perfettamente gli spettri di emissione di tutti gli elementi caratterizzati da bande colorate e bande scure.
Si veda anche: atomo di Bohr.
Esperimento della doppia fenditura
La natura ondulatoria delle particelle subatomiche è confermata anche dal famoso esperimento della doppia fenditura.
Sparando un elettrone attraverso un ostacolo che possiede una doppia fenditura si osserverà in uno schermo posto al di là una figura di diffrazione tipica delle onde.
Il moto di un elettrone allora è descritto da una funzione d'onda che in termini probabilistici fornisce la probabilità che la particella si trovi in quel punto dello spazio.
Finché non si interviene con un esperimento osservando la particella essa rimane indefinita nella sua posizione (principio di indeterminazione di Heisenberg).
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