I quanti

Fotoni e elettroni a confronto

e_f (3K)

La teoria di Einstein sulla radiazione elettromagnetica potrebbe sembrare un ritorno al vecchio modello corpuscolare di Newton che aveva dovuto cedere il campo al modello corpuscolare dopo l'esperienza di Thomas Young, avvenuta nel 1801, sull'interferenza e diffrazione della luce. I fotoni sono però particelle veramente strane rispetto alle normali particelle di materia. Osserva la seguente tabella in cui sono messe a confronto alcune grandezze fisiche relative ad un elettrone (normale particella di materia) ed un fotone.

GrandezzaElettroneFotonenote
massam = 9,11 10-31 kg0m è la massa a riposo
caricae = -1,6 10-19 C0
velocitàv (compresa tra 0 e c)v = cc velocità della luce
energiaE = 1/2 m v2E = h fv dell'elettrone non relativistiva
f frequenza della radiazione
quantità di motop = m vp = h / λλ lunghezza d'onda della radiazione

L'elettrone, come altre particelle di materia, è dotato di massa e carica elettrica, ha una velocità v (rispetto ad un sistema di riferimento) che non raggiunge mai la velocità della luce e possiede energia e quantità di moto (calcolabili a basse velocità per mezzo delle relazioni della fisica classica e ad alte velocità mediante la fisica relativistica).

Il fotone o quanto di energia, invece, non possiede massa nè carica elettrica, si muove in qualsiasi sistema di riferimento a velocità c, possiede energia e quantità di moto. Quest'ultima osservazione potrebbe risultare molto curiosa: come può un corpo privo di massa avere quantità di moto?

radiometro (9K)

Eppure quando la luce colpisce un corpo trasmette ad esso sia energia sia quantità di moto, come può osservarsi con il radiometro di Crookes, minuscola ruota a pale sospesa all'interno di un tubo in cui è stato fatto un vuoto abbastanza spinto: illuminando le palette del mulinello con un sottile fascio luminoso, si osserva che la ruota inizia a girare.

La teoria classica prevede che la quantità di moto trasmessa ad un corpo che assorbe una radiazione elettromagnetica abbia direzione e verso della propagazione dell'onda. Alla stessa conclusione si può giungere considerando che, con la fisica relativistica, massa ed energia sono due facce della stessa medaglia e che ad una energia E corrisponde una massa equivalente

mequivalente = E / c2

Il fotone ha quindi una massa equivalente pari alla quantità h f / c2. La quantità di moto si può calcolare tramite la massa equivalente:

p = mequivalente c = h f / c = h / λ

Al fotone possiamo quindi associare grandezze tipiche ondulatorie come la frequenza e la lunghezza d'onda e grandezze tipiche dei corpuscoli come l'energia e la quantità di moto. Le proprietà ondulatorie e corpuscolari sono collegate dalla costante di Plank.

E = h f

p = h / λ


Copyleft Ludovica Battista

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