La Teoria dei Quanti

14-10-2007 10:20:25
Questo articolo, non è diretto a quelle persone aventi già competenze in materia, ma è diretto a chi non conosce nulla di questa affascinante teoria. Conoscerla non vuol dire AVERLA SENTITA NOMINARE, diversamente, significa marcare quelle linee base che ne determinano una presentazione scientifica. Albert Einstein ci insegna che “I want to know what the God's thoughts .... the rest are datalis” cioè, cerchiamo di capire il pensiero divino che ne è alla base, i conti matematici e le modelizzazioni a C-N dimensioni cartesiane lasciatele a noi fisici!

Tutto nacque verso la fine del diciannovesimo secolo, quando si iniziano a scoprire le varie proprietà delle onde elettromagnetiche. Anche in questo caso sarebbe opportuno capire cosa sono le onde elettromagnetiche perchè hanno delle proprietà strabilianti che le comuni onde meccaniche non possiedono (tanto per capirci, il SUONO è un'onda MECCANICA). Nei prossimi articoli, se mi sarà concesso, approfondirò anche questa tematica delle onde, che io reputo meravigliosa.

Come voi saprete benissimo, un'onda elettromagnetica, a seconda della frequenza di oscillazione, ha una lunghezza d'onda diversa quindi noi abbiamo onde luminose policromatiche da 400 nm – 700 nm poi per lunghezze d'onda superiori a 700 nm abbiamo onde invisibili ai nostri occhi che sono infrarossi, microonde ecc...

Finora abbiamo introdotto due termini fondamentali: lunghezza d'onda e frequenza di oscillazione. Le due grandezze sono strettamente legate tra loro da una proporzionalità inversa lineare (di grado 1). Per trattare della teoria dei quanti, ci servirà capire da cosa è rappresentata l'energia di un'onda elettromagnetica. Si dimostra che l'energia di un'onda è legata alla sua frequenza. Più un onda avrà frequenza alta più avrà un carico maggiore di energia. (Infatti voi sapete bene che i raggi X sono altamente pericolosi perchè sono RAGGI ALTAMENTE ENERGETICI cioè ad alta frequenza).

Dopo questa premessa siamo pronti a capire il problema che si presentò ai due fisici Sir. James Jeans e Lord Rayleigh e che venne risolto solo con l'introduzione della teoria dei quanti da parte di un grande personaggio, premio Nobel nel 1918, Max Planck.

E' risaputo, da questioni strettamente pratiche (la fisica è fatta anche di questo), che se noi abbiamo un contenitore, con all'interno N particelle di un gas nobile (un gas nobile è ciò che più si avvicina alla definizione di gas perfetto), l'energia si partiziona tra tutte le particelle seguendo il TEOREMA DELL'EQUIPARTIZIONE DELL'ENERGIA che assegna ad ogni elemento particellare un'energia pari a E/N (dove E = energia totale fornita, N = numero di particelle).
Questo teorema dell'equipartizione dell'energia, funzionava benissimo in termodinamica. Successivamente ci si pose una domanda: COME SI PARTIZIONE L'ENERGIA RADIALE? Cioè l'energia nelle onde elettromagnetiche come si partiziona?
Sir. James Jeans e Lord Rayleigh pensarono subito di applicare il teorema dell'equipartizione dell'energia all'energia radiale. Come detto precedentemente, l'energia è strettamente legata alla frequenza dell'onda, quindi il punto era cercare di spiegare come un quantitativo di energia andasse ad influire sulle varie frequenze. Anche in questo caso fu istintivo dire: l'energia si partiziona sulle varie frequenze in modo tale che ogni frequenza abbia un ennesimo dell'energia totale. MA QUANTO VALE N????
Nel caso precedente il numero di particelle di un gas è finito ma in questo caso?
In questo caso, si può facilmente dimostrare che l'insieme delle possibili frequenze che un onda elettromagnetica può avere E' INFINITO!!!!! Quindi andando a riprendere il nostro carissimo teorema dell'equipartizione, un' onda, per passare da una frequenza all'altra avrebbe bisogno di un quantitativo INFINITESIMO DI ENERGIA!!!!!

Proviamo a pensare, come questo postulato influisce sulla teoria delle onde:
se il teorema dell'equipartizione dell'energia è applicabile anche all'energia radiale, allora vuol dire che, se noi prendiamo un po' di luce, supponiamo degli innocenti raggi infrarossi, li inseriamo in un cubo di Jeans ( il cubo di Jeans è un cubo vuoto le cui superfici interne sono degli SPECCHI IDEALI, cioè a potere riflettente del 100%) e li mettiamo in condizione di scambiare energia, per esempio introducendo delle particelle di carbonio, allora si verrebbe a creare una FUGA DI ENERGIA verso le frequenze più grandi (un po' come succede nei pianoforti) che trasformerebbe il nostro innocente fascetto di infrarossi, prima in luce azzurrina, poi blu ...ecc... fino ad arrivare ai pericolosissimi raggi X e gamma. Quindi se questa teoria è vera le comuni stufette a legna dovrebbero essere delle pericolosissime sorgenti di raggi ad alta frequenza. Questa incongruenza teorica con la realtà, venne definita CATASTROFE ULTRAVIOLETTA. Finalmente a spiegare il tutto, arrivò Max Planck che con la sua teoria dei quanti affermò quanto segue:

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