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Fisica a Padova: la laurea triennale e la fisica quantistica

Se ti appassiona il mondo della fisica, probabilmente starai dando un’occhiata alle possibilità di studio e specializzazione dell’intero territorio nazionale. Se vivi a Padova, però, sappi che potresti anche non dover andare tanto lontano per formarti.

L’Università degli Studi di Padova è da sempre sinonimo di eccellenza, in diversi campi. La sua unga tradizione ne accresce l’attrattività storica e l’attenzione al collegamento tra studi e mondo del lavoro applicato e completa il curriculum di questo ateneo nel migliore dei modi.

Il corso di laurea triennale in Fisica a Padova fornirà, per cominciare, un’ottima conoscenza delle basi della fisica classica e moderna, la scoperta della meccanica quantistica e la presa di confidenza coi principali strumenti matematici, indispensabili per “sguazzare” nelle scienze fisiche, chimiche e matematiche sentendosi veri e propri pesci.

Il corso di studi porta davvero gli studenti a saper orientarsi nella scelta dell’adeguato metodo sperimentale idoneo alla risoluzione di un determinato problema. La scoperta e l’acquisizione di nozioni inerenti alle reti ed ai calcolatori, poi, affinano il curriculum a livello pratico, poiché mettono i laureandi in condizione di poter individuare, raccogliere ed analizzare dati.

Fisica quantistica?

La fisica quantistica spiega la materia ed il suo “comportamento”, nonché la radiazione ed il “comportamento” di quest’ultima.

Sono le relazioni tra la materia e la radiazione ad interessare il fisico quantistico, che le osserva, studia ed analizza tanto come fenomeno ondulatorio, quanto come fenomeno particellare (si pensi, appunto, al dualismo che definisce la relazione tra la particella e l’onda).

La differenza rispetto alla fisica classica è evidente: quest’ultima studia ed analizza la luce solo in quanto onda e l’elettrone solo come una particella. 

Superamento della fisica del XIX secolo

La fisica quantistica, proprio per il fatto di ipotizzare e sostenere il dualismo onda-particella, mette in crisi una parte della formulazione teorica della fisica classica. Va oltre la fisica teorizzata fino al XIX secolo, insomma.

Young e poi Feynman pervengono ad una teoria della luce come fenomeno da spiegare non tanto in termini corpuscolari, bensì come fenomeno ondulatorio. Il primo dimostra, tramite un semplice esperimento, che la propagazione della luce avviene tramite onde. Adopera uno schermo su cui sono stati praticati due fori piccolissimi e vi proietta raggi luminosi. I fori diventano subito sorgenti omogenee. Usa allora un secondo schermo che raccolga la luce proveniente da queste due sorgenti e nota delle “frange” chiare e scure, simili alle onde del mare, provenienti dalle due diverse sorgenti.

A livello teorico, la formulazione che ne segue, semplificando molto, è la seguente: due onde dall’ampiezza uguale possono essere “in fase” e, se interferiscono, dare luogo ad un’onda sinusoidale, somma delle due sinusoidi che la compongono; oppure, le due onde possono essere in “controfase” e, interferendo, dar luogo ad un’onda nulla.

Scomposizione dell’atomo

Per quasi tutto l’Ottocento l’atomo era considerato la componente base minima della materia.

Ma Stoney, a sorpresa, nel 1874 individuò l’elettrone e fu seguito, quasi a ruota, da Rutherforh, che identificò la presenza di un nucleo dell’atomo. Esso appariva dotato di carica elettrica positiva e circondato dagli elettroni di Stoney, carichi negativamente. Il paragone fu subito effettuato, rispetto al sole ed ai pianeti che gli girano intorno.

Fin qui, le conoscenze lasciavano però grandi perplessità. Come mai la materia che circonda resta stabile, invece di collassare?

Fu proprio l’attenzione portata sull’effetto foto-elettrico a far vacillare la convinzione di una completezza della fisica classica. Si ipotizzò, allora, che la radiazione elettromagnetica avesse un comportamento al contempo ondulatorio e corpuscolare, interagendo con la materia.

L’apporto di Einstein

Nel 1905, il simpatico Albert Einstein ipotizzò il ruolo chiave del fotone nell’effetto fotoelettrico. In determinate circostanze – affermò - “la luce si comporta proprio come se fosse composta da particelle”. Un corpo esposto ad onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di frequenza varia emette particelle elettricamente cariche.

Ad esempio, un corpo conduttore metallico ed anche un gas, che assorbono energia dalla luce che incide su di loro, emettono elettroni.

E a tal proposito, come afferma Plank enunciando la celebre formula E=h v (dove “h” è appunto la nota “costante di Plank”), è adeguato affermare che la radiazione luminosa è composta da particelle corpuscolari di energia (i fotoni, per l’appunto).

Ora, affinché un elettrone si allontani da una superficie metallica, il fotone dovrà avere energia maggiore dell’energia che lega l’elettrone al metallo. Occorre, insomma, un passaggio di corrente.

Se, ovviamente, il fotone non ha tutta questa energia (ossia né ha meno della superficie metallica cui appartiene l’elettrone), questo passaggio non può verificarsi. In altre parole, non si osserva l’effetto fotoelettrico.

Ed è qui che la fisica classica viene ad essere insufficiente. Essa postulava, tramite il principio ondulatorio, che aumentando l’intensità della luce incidente aumentasse anche l’energia degli elettroni emessi.

Ma Lenard, prima, ed Einstein, poi, diedero i loro preziosissimi contributi chiarificatori e sperimentali.

Per Lenard l’energia dei fotoelettroni non andava considerata dipendente dalla intensità di illuminazione, bensì dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente. L’intensità della corrente (data dalla quantità di elettroni strappati via dalla superficie metallica), invece, era dal canto suo dovuta all’intensità della radiazione. Insomma, la spiegazione solo ondulatoria circa la luce si rivelava insoddisfacente.

Einstein spiegò che i raggi di luce trasportano particelle - i fotoni - che hanno energia in quantità proporzionale alla frequenza dell’onda corrispondente. I fotoni che colpiscono la superficie metallica cedono agli elettroni parte della loro carica elettrica. Gli elettroni, a questo punto, si allontanano dal corpo metallico, sotto forma di emissione.

Se l’energia dell’elettrone liberato dipende solo dal fotone, l’intensità della radiazione dipende dal numero di fotoni trasportati dall’onda. L’intensità della radiazione, quindi, interferisce con il numero di elettroni estratti dal metallo ma non ha nulla a che vedere con la loro energia!

Accettando questo “nuovo” dualismo della luce – ossia il fatto che essa appaia ora come particelle, ora come onde – si giunge, gradualmente, ad ipotizzare un dualismo concernente la materia tutta (come inizia a fare ­dal 1924).

 I seguiti e le conferme

Naturalmente, in fisica come in ogni altra disciplina, i meccanismi di rivoluzione culturale si innescano gradualmente, pazientemente. Ed altri studi ancora intervengono, ognuno dal canto suo, a corroborare ipotesi o parti di ipotesi precedenti.

Nel 1927, per esempio, Davisson e Germer proseguono con una prova sperimentale del comportamento dualistico della luce. Tramite un cristallo di nichel, che fanno attraversare da un fascio di luce, osservano la cosiddetta “diffrazione”. Si tratta della deviazione delle onde, durante la loro traiettoria di propagazione, dovuta all’interposizione di un ostacolo sul tragitto. Fasci interi di particelle iniziano a poter essere usati per esperimenti di interferenza, basilari nella fisica quantistica. La proiezione delle fenditure e lo studio delle figure di interferenza portano altri studiosi a proseguire sul tema.

Bohr, ad esempio, formula il principio della complementarietà, stando al quale l’aspetto corpuscolare e quello ondulatorio della luce non possono osservarsi simultaneamente (dato che l’esperimento stesso per osservarle influenza il comportamento immediatamente successivo della luce).

Il fascino di queste concatenazioni nella ricerca, nella sperimentazione e nella formulazione teorica sono il fulcro del progredire della scienza fisica che un percorso universitario ad hoc consente di approfondire ampiamente e con passione.