"Non il possesso della verità, ma la lotta vittoriosa per conquistarla fa la felicità dello scienziato", Max Planck

Come ti sentiresti, se un professore ti dicesse che non dovresti seguire un percorso di studi perché è un ambito già noto? E' quello che è successo a Max Planck quando confessò a un professore di Monaco che desiderava studiare fisica. Il suo insegnante gli disse che non era una buona scelta, perché in quell'ambito era stato già scoperto tutto.

Fortunatamente, Planck non gli diede retta. Grazie alla sua perspicacia e al fatto che non aveva la pretesa di realizzare grandi scoperte, Planck svolse un ruolo molto importante per la scienza e per l'umanità intera, avviando una nuova branca della fisica: la meccanica quantistica. Gettò le basi per una grande trasformazione della fisica i cui effetti sono tuttora fondamentali.

Perseveranza e umiltà, nel suo caso, hanno fatto la differenza, redendo Planck uno dei grandi della fisica.

Se anche tu intendi studiare fisica e cerchi una fonte di ispirazione, continua a leggere questo articolo speciale, su uno dei più grandi fisici dei nostri tempi.

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Chi era il fisico Max Planck?

Max Planck nacque a Kiel, in Germania, nel 1858 da una una famiglia con una consolidata tradizione accademica. Il Bisnonno e il nonno erano stati professori di teologia, mentre il padre aveva insegnato diritto. Il suo interesse per gli studi iniziò molto presto, ma la svolta verso la fisica arrivò con il trasferimento a Monaco, quando aveva 9 anni.

Fu allora che Max iniziò a frequentare una scuola locale dove incontrò Hermann Muller, l'insegnante che lo introdusse alla meccanica, alla matematica e all'astronomia. I suoi primi lavori da ricercatore, furono infatti legati a termodinamica, termoelettricità e teoria delle soluzioni diluite.

Una delle prime aree di studio di Planck fu la termodinamica.
Le prime ricerche di Planck erano legate alla termodinamica!

Planck fu sempre un eccellente alunno, tanto che conseguì il dottorato a soli 21 anni. Aveva anche una passione per la musica: imparò a cantare e suonare il piano, l'organo e il violoncello, arrivando anche a comporre delle opere. Quando arrivò il momento di prendere una decisione sul proprio futuro, scelse la fisica.

Dopo che il professor Phillip von Jolly gli disse che ormai era stato scoperto tutto in fisica, Planck si convinse ancora di più del percorso scelto. Rispose al suo professore che non intendeva fare nuove scoperte, ma approfondire ciò che era giù noto. Nella sua carriera scientifica realizzò pochi esperimenti, concentrandosi essenzialmente sulla fisica teorica.

Dopo essersi trasferito a Berlino per continuare i propri studi, Planck intraprese un percorso da autodidatta dedicandosi alla teoria del calore, che diventerà poi il tema della sua tesi di dottorato.

A sua volta, divenne professore e iniziò a insegnare nella sua vecchia scuola di Monaco e più tardi, all'Università di Berlino, di cui poi diventerà rettore. Prima di arrivare alla tanto amata carriera accademica, Planck ricevette diversi rifiuti e fu grazie al suo ingegno che riuscì a ottenere i primi risultati.

Durante gli studi sulle radiazioni elettromagnetiche scoprì una nuova costante che, più tardi, sarebbe stata chiamata Costante di Planck, in suo onore. Questa scoperta viene usata ancora oggi per calcolare l'energia dei fotoni.

Planck e i primi passi verso la teoria dei quanti

Le prime scoperte nell'ambito della meccanica quantistica risalgono al 1838 per mano di Michael Faraday, mentre si parlava di corpi neri  già nel 1859, un anno dopo la nascita di Planck.

Grazie ai suoi meriti scientifici e l'apporto alla meccanica quantistica Plank divenne professore e poi rettore dell'Università di Berlino.
La dedizione di Planck gli valse il posto di rettore all'Università di Berlino!

Nel 1900 Planck teorizzò la legge della radiazione termica, detta Legge di Planck. Consiste nel calcolare la radianza spettrale di un corpo partendo al principio che la radiazione elettromagnetica di un corpo produce un'energia che viene trasmessa tramite unità separate, chiamate quanti. Secondo Planck, i corpi neri, da non confondersi con i buchi neri di Stephen Hawking, assorbono maggiormente le radiazioni e sarebbe questo il motivo per cui alla vista umana sembrano scuri.

La portata della sua scoperta, sta proprio nel capire che l'energia può essere quantificata. Le radiazioni, le onde quindi, possono essere trasformate in un numero finito di energia rappresentata da punti nello spazio che chiamò quanti. Più avanti, questi punti saranno chiamati fotoni.

La formula usata per calcolare la radianza include la temperatura corporea e la compressione dell'onda. Pubblicata nel 1901, questa nuova formula fu adottata da Wilhelm Wien, il quale stabilì che questa formula poteva essere applicata a qualunque compressione delle onde. All'epoca, Albert Einstein aveva già spiegato l'effetto fotoelettrico a partire dall'esistenza di fotoni.

Grazie alla sua equazione, Max riuscì anche a risolvere il problema della catastrofe ultravioletta incontrato dalla coppia Rayleigh-Jeans.

Fu un punto di partenza per l'elaborazione della teoria dei quanti, sorta 10 anni anni più tardi con la collaborazione di Niels Bohr e Albert Einstein.

Il lavoro di Planck ottenne importanti riconoscimenti, come il premio Nobel per la fisica del 1918. In Germania divenne anche il direttore del KWG, la Società per lo sviluppo delle scienze che diresse dal 1930 al 1937.

Il termine meccanica quantistica fu usato per la prima volta nel 1931, in un lavoro che riprendeva le ricerche di Planck.

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La costante di Planck: E=hv

Secondo gli studi di Planck, ogni atomo è in grado di scambiare piccole quantità di energia. Inoltre, un corpo nero sarebbe in grado di assorbire tutte le radiazioni che incidono su di esso e trasformarsi in una fonte di energia.

Questo tema era già stato affrontato con la legge di Rayleigh-Jeans che spiegò il comportamento dei corpi neri tramite la formula: ρT(v)dv=8πv2kTc3dv. Secondo questa formula, un corpo nero è in grado di emettere radiazione con potenza infinita. In realtà la teoria era errata e fu definita catastrofe ultravioletta, dato che l'equazione funzionava solo in caso di bassa frequenza.

Per Planck l'energia doveva essere considerata una variabile discreta e non continua. Iniziò, quindi, a scrivere gli intervalli esistenti tra i i valori possibili dell'energia in funzione di una variabile crescente. Fu allora che osservò l'uguaglianza tra le grandezze studiate.

La formula impiegata, E=hv, indica che:

  • E rappresenta il quanto di energia, ossia l'energia del fotone
  • h è la costante di Planck
  • v è la frequenza di radiazione

Anche se sulla base di studi ed esperimenti Planck era riuscito a determinare un numero che rappresentasse questa costante, il valore esatto su fissato durante la XXVI Conferenza dei pesi e delle misure e può essere rappresentato con la formula h = 6,63x10-34Js.

La teoria dei quanti fu sostenuta da Einstein.
Gli studi di Planck furono completati da Niels Bohr e Albert Einstein!

Qualche anno dopo, lo stesso Planck confessò che la sua scoperta era avvenuto per motivi formali: bisognava trovare una soluzione teorica al comportamento del corpo nero perché le leggi della fisica classica, secondo cui il corpo irradiava la stessa quantità di energia all'infinito, erano in contrasto con gli esperimenti. Planck era molto perplesso delle sue conclusioni empiriche perché indicavano che le leggi della fisica classica di Isaac Newton non rispondevano al problema dei corpi neri. Fu Einstein a spiegare il concetto di quantizzazione dell'energia.

Nel 1913 Neils Bohr scoprì la formula per calcolare l'energia dell'atomo di idrogeno e conosciuta oggi come Modello atomico di Bohr. Il punto di partenza è il modello atomico di Rutherford secondo il quale un elettrone orbita sempre intorno al nucleo. Bohr scoprì che questo modello risulterebbe in una perdita costante di energia. Da questo concetto partirono gli studi per l'energia usata nelle orbite stazionarie. L'elettrone, secondo Bohr, irradia l'energia solamente quando una di queste orbite migra verso l'altra, applicando la quantizzazione dell'energia dimostrata da Planck. In questo senso, i suoi studi completano la teoria di Planck.

Inoltre, Planck lavorò insieme ad Einstein riconoscendone il potenziale. Einstein applicò le teorie di Planck alla ricerca sull'effetto fotoelettrico.

Secondo questi studi, un corpo metallico colpito dalla luce libera elettroni. Questa emissione rimane costante e non aumenta di intensità con l'intensificarsi della luce. Dall'altro lato, questa intensità altera la compressione delle onde che a loro volta producono degli effetti sugli elettroni. L'effetto della luce, quindi, sarebbe mediato dalla frequenza della radiazione.

Basandosi sugli studi di Planck, secondo il quale la radiazione elettromagnetica si presenta sotto forma di pacchetti di energia o quanti, e l'energia è usata per staccare gli elettroni dalla materia, Einstein intuisce che è l'energia a determinare l'intensità di questa attività. Una radiazione ad alta frequenza emette elettroni con una velocità maggiore rispetto alla bassa frequenza. Fu con la scoperta dei quanti di luce che Einstein ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1921. Venti anni prima, Nikola Tesla era assorto negli esperimenti con la luce senza fili!

Planck non condannò il nazismo apertamente, ma ne fu sicuramente scosso per via delle persecuzioni nei confronti di scienziati ebrei e per la morte del figlio.
Planck e Einstein avevano stili e visioni diverse, ma la stessa passione per la fisica!

Il periodo delle persecuzioni naziste, che non si fermarono neanche di fronte alla scienza, e la perdita del figlio, spinsero Planck a vivere gli ultimi anni della propria vita quasi in isolamento.

Oggi, lo scienziato tedesco viene ricordato per il suo contributo a quella che sarebbe diventata la fisica moderna, proprio grazie alla scoperta dei quanti.

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Catia

Traduttrice e scrittrice con una passione per le lingue