La meccanica ondulatoria

Heisenberg e Schrödinger, nel 1925, proposero un modello nuovo dell’elettrone, in base a quanto era stato scoperto negli ultimi esperimenti.

L’elettrone non veniva più visto come una particella, ma come un’onda; anche se Bohr arrivava alle stesse conclusioni di Schrödinger, il cambiamento portato dal modello quantistico era enorme.

La meccanica ondulatoria introdotta dai due scienziati non vedeva più l’elettrone come una particella in orbita attorno al nucleo, e, abbandonava l’analogia legata a moti rotatori come il numero quantico orbitale o lo spin legato al verso di rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse.

L’elettrone non è più un punto, ma  un oggetto senza un contorno preciso, una nube di probabilità con valori variabili di distanza dal nucleo.

I raggi determinati da Bohr restano, ma come zone di massima probabilità: è più probabile che l’elettrone si trovi ad una distanza dal nucleo pari al raggio di Bohr che non a qualsiasi altra distanza.

Il principio di indeterminazione fissava anche l’impossibilità di verificare sperimentalmente i dettagli del moto dell’elettrone: il comportamento della particella è fissato nell’equazione di Schrödinger, che integra il modello di Bohr-Sommerfeld.

Non è possibile inoltre avere rappresentazioni in analogia alla realtà a cui siamo abituati, poichè il mondo microscopico non è rappresentabile in quel modo. Nella meccanica ondulatoria i valori dei numeri quantici soddisfano l’equazione di Schrödinger.

Quindi la fisica moderna si discosta da quella classica soprattutto in questo: non sono più visualizzabili immagini intuitive legate alle esperienze ed al linguaggio quotidiano.

La meccanica ondulatoria interpreta l’elettrone nell’atomo come una nube di probabilità che ha valori massimi in determinate zone intorno al nucleo. Un elettrone confinato a muoversi in una zona piccola di spazio come è quella intorno ad un nucleo è descritto da un’onda stazionaria.

Se ragioniamo per analogia, anche un’onda costretta a propagarsi su una corda di lunghezza finita genera per sovrapposizione un’onda stazionaria. La localizzazione di un’onda su una corda comporta dei limiti sulla lunghezza d’onda. La localizzazione di un’onda materiale significa che una particella è costretta a muoversi in una zona limitata di spazio.

La meccanica ondulatoria porta a conseguenze inaspettate sul comportamento di una particella confinata in una scatola di dimensioni L (come l’elettrone in un atomo) perché la lunghezza d’onda (di De Broglie) di una particella è legata all’energia e alla quantità di moto. La particella non può stare ferma perché a questa situazione corrisponderebbe una lunghezza d’onda infinita. Più la zona limitata è piccola, più veloce deve essere la particella.

L’emissione di elettroni da parte di nuclei di sostanze radioattive aveva portato in un primo momento a credere che il nucleo fosse fatto di protoni ed elettroni, ma questa condizione esclude che l’elettrone possa essere costretto in una zona di spazio piccola come un nucleo atomico. Non è possibile che un elettrone sia confinato nel nucleo perché altrimenti la sua velocità supererebbe quella della luce.

Invece protoni e neutroni possono essere confinati nel nucleo perché hanno una massa maggiore.

La scoperta della radioattività avviene accidentalmente nel 1896 da parte di Henry Becquerel che, mentre studiava la fosforescenza dei sali di uranio, scoprì che essi avevano il potere di impressionare una lastra fotografica tenuta al buio. Nello stesso periodo questi risultati sperimentali furono confermati dai coniugi Pierre e Marie Curie con cui Becquerel condivise il premio Nobel nel 1903.

I coniugi Curie lavorano con la pechblenda, un minerale che contiene l’80% di uranio. Dal decadimento dell’uranio giungono alla scoperta del polonio (chiamato così per ricordare la patria di Marie Curie) e del radio, elemento con particolare attività radiante.

“Vorrei che il radio avesse un bel colore” […] Il radio ha qualcosa d’altro d’assai più bello che “un bel colore”: esso è spontaneamente luminoso.

Nel 1875, Maxwell per la prima volta riconobbe che due forze della natura apparentemente diverse, la forza magnetica e la forza elettrica, erano in realtà manifestazioni della stessa interazione fondamentale. Il capolavoro di Maxwell fu la formulazione delle 4 equazioni (oggi note appunto come equazioni di Maxwell) che descrivevano in maniera unitaria e completa tutti i fenomeni elettromagnetici (ad esempio: l’attrazione fra due calamite e la propagazione della luce nel cosmo).

Allo stesso modo nel XX secolo si è scoperto che anche l’interazione elettromagnetica e la forza nucleare debole erano due manifestazioni di un’unica interazione, che prese il nome di interazione elettro-debole.

Allo stato attuale delle ricerche, esiste una teoria, nota come Modello Standard, che descrive in modo unitario l’interazione nucleare forte e l’interazione elettro-debole. Il Modello Standard ha ottenuto numerose verifiche sperimentali, anche grazie, tra l’altro, al lavoro del fisico italiano Carlo Rubbia.

Il grande obiettivo della fisica teorica contemporanea è ora quello di integrare l’interazione gravitazionale con le altre, ossia la Relatività Generale con il Modello Standard.

Nel prossimo articolo vedremo proprio su cosa si basa il Modello Standard.

Un pensiero riguardo “La meccanica ondulatoria

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google photo

Stai commentando usando il tuo account Google. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...