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IlMondoMicroscopico
L.Martina
DipartimentodiFisicaUniversitàdelSalentoSezioneINFN- Lecce
1PLS:2017/‘18
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MateriaeRadiazione
2- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - --Comefunziona?
Perchéduroetrasparente?
Perchémalleabileeconduttore? Comesitrasforma
laluceinforzavitale?
Qualel’originedellasuaenergia?
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NewtonvsMaxwell
3
Ogni corpo persevera nello stato di quiete odimoto rettilineo uniforme, ameno che nonsia costretto acambiarlo acausa di FORZEadesso impresse (principiod’inerzia)
Ilcambiamento dello stato di moto èproporzionale alla forza impressa lungo lalinea retta di applicazione
Adogni azione corrisponde una reazione ugualeinintensità econtraria inverso
amF !!=
2112 FF!!
-=
Particelle Campi
( ) 0=F BchiusaS
!
( )dt
BdldE S
!!!
1
1
g
g
F-=×ò
( )EdtdIldB SS
!!!222
00 ggeµ
gF+=×ò
( ) .
0
chiusa
chiusa
Tot in SS
QE
eF =
r
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Termodinamica - 1
( 0)L >( 0)Q >
( 0)Q < ( 0)L <U Q LD = -
• Principiozero:seicorpiAeBsonoentrambiinequilibriotermicoconunterzocorpoC,alloralosonoanchefraloro.
• Primoprincipio ( conservazionedell'energia):lavariazionedienergiainternadiunsistemaèlasommaalgebricadelcaloreedellavoroscambiaticonl’ambiente
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• Secondo Principio:inunciclo termodinamico– (Kelvin- Planck)e’impossibile convertirecompletamente inlavoro tutto il calore assorbitodalserbatoio “caldo”
– (Clausius) e’impossibilre farpassare unicamentedelcalore dalserbatoio “freddo”aquello “caldo”
Termodinamica 2
Q
Q
Tc
Tf
QL
Tc
Tf
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ENTROPIA
Qf
QcL=Qc-Qf
Tc
Tf
1 1f fC
c c
Q TQ T
h h= - £ = -
Tr.reversibile
00
f c
f c
Q QT T
<ì+ í=î Tr.reversibile
ENTROPIA
neisistemiisolatil'entropia èunafunzionenondecrescentedellevariabilidistato
Rendimento
B
revA rev
revirrev
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L’ipotesi Atomistica• Atomismofilosofico:Leucippo ,Democrito (sec.V-IVa.C)atomiindivisibili,immutabilieindistruttibili,diversiperformaedimensioni,combinandosiinvarionumeroemodo,dannoluogoaglioggettidell’esperienzasensibile.• Epicuro (IIIsec.A.C),LucrezioCaro (sec.Ia.C.)clinamen•Aristotele ,Gassendi•Cartesio :filosofia meccanicista ,corpuscolarismo
• Atomismoscientifico:D.Bernoulli ,teoriacineticadeigas,J.Dalton(NewSystemof Chemical Philosophy ,1808),leggedelleproporzionimultiple,principielementari,atomidellastessaspecie(molecole),J.-L. Gay-Lussac (1809),leggesuivolumidicombinazionedeigas,A.Avogadro(1811):
o Igassonoformatidamolecoleintegranti,costituitealorovoltadauna,dueopiùmolecoleelementari:gliatomio atemperatura,volumeepressioneuguali,gasdiversicontengonolostessonumero dimolecole
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“pro-”vs ”contro-”atomoCongr.dei Chimici,Karlsruhe(1860):definizione dimolecola ediatomo (disaccordo)J.C.Maxwell:“Benche’nel corso dei tempisi siano verivicate catastrofi …lemolecole…continuano adesistere oggi esattamente comevennero create:perfette innumero,misura epeso“(1873)W. Thomson:“E’unfatto assodato che ungasconsista dimolecole inmovimento ….
Ildiametro diuna molecola digasnonpuo’essere inferiore a 2x10-9 cm.”(1870L.Boltzmann:“…dareuna dimostrazione deltutto generale della IIlegge della teoriadelcalore,comescoprire il teorema meccanico adessa corrispondente.”(1866)“Iproblemi della teoria meccanica delcalore sono …problemi di teoriadella probabilita’.”(1871)M.Planck:“Lapiena validita’delIIprincipio…e’incompatibile conl’ipotesi diatomi finiti”(1883)W.Ostwald:”L’asserzione che tutti i fenomeni …sono riducibili afenomeni meccanici…e’sbagliata.….Tutte leequazioni della meccanica ammettono l’inversione temporale…Quindi …unalbero potrebbe diventare dinuovo germoglio eseme,una farfallabruco eunvecchio unbambino.”E.Mach:“None’confacente alla fisica considerare mutevoli strumenti ,qualimolecole eatomi,alla stregua direaltà sottostanti ai fenomeni.”(1895)
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Termodinamica eStatistica
lnS k P c= +
V0
V1Gasideale costituito da Nmolecole all’equilibrio termico
1 0 1
0 0
,V V Vp qV V
-= =Probabilita’perlasingola molecola
di trovarsi inV1
( ) ( )!
! !n N nNP n p q
n N n-=
-Probabilita’pernmolecoledi trovarsi inV1 eN-nall’esterno
.5,50
p qN= ==
Ilsistema tende almacrostato di massima entropia,cioe’aquello che possiede il numero massimo dimicrostati
Principiodi Boltzmann
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Inquesto articolo dovremo mostrare che,….,particelle di dimensioni visibili almicroscopiosospese inunfluido,inseguito almoto molecolaredelcalore possono descrivere moti osservabili.
A.Einstein,Ann.d.Phys.,17(1905)549
Coefficientedidiffusione
MolecoleeMotoBrowniano
dNRTDA ph6
1=
NA =NumerodiAvogadrod=raggiodellaparticellah =coeff.diviscosita’
https://www.youtube.com/watch?v=eoP4LotdiE0
https://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHUhttps://www.youtube.com/watch?v=uQ2AOoNG5uI
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Interpretazione di Einstein1. Leparticelle sospese sono sfere esono rarefatte nel solvente2. Perleparticelle insospensione all’equilibrio termico valgono le
leggi perdi ‘tHoffdelle soluzioni (gas):pV=nRT
3. Leparticelle sospese sono grandi rispetto alle caratteristiche delsolvente (continuo)
4. Sitrascurano i moti rotatori delle sfere5. Leparticelle sospese sono soggette aduna forza di attrito di tipo
viscoso dovuto alfluido concoefficiente di viscosita’correttodato da
35 4* 1 ,2 3
AN dmr ph j jh = + =sperimentale Frazione di volume
occupato dalle sfere
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x
K
Forza /(unita’di volume)
6viscF d vph=
AK NFmr
=
All’equilibrio termico AK N dp RT dm dx m dxr r
= =
dx
dpdx
» -
Legge di Stokesperl’attrito viscoso
Kagisce solosul soluto
All’equilibrio dinamico6viscKF K vdph
= Þ =
Flusso di sferenella direzione -x AN v
mr Flusso diDiffusione
nella direzione +xADN d
m dxr
Gradientedi concentrazione
16A
RTDN dph
=sperimentale
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68x1022 permezzodiemulsionianalogheagas;62x1022 “emulsionianaloghealiquidi;60x1022 “fluttuazioniemulsioniconcentrate;64x1022 “motoBrownianotraslazionale;65x1022 “motoBrownianorotazionale;75x1022 “opalescenzacritica;65x1022 “azzurrodelcielo;64x1022 “radiazionedicorponero;61x1022 “gocciolineionizzatesecondoMillikan;62x1022 “decadimentoradioattivo
Realta’dellemolecoleJ.Perrin:Nobel1926
NA
“Lateoriaatomicahatrionfato.Ancorapocotempofaassainumerosi,isuoiavversari,alfineconquistati,rinuncianounodopol’altroasfidechefuronoalungolegittimeesenz’altroutili”J.Perrin“LesAtomes“,(Paris,1913)
NA= 6.022 141 79 x 1023 mol-110
3 ˆ10 1atomoatomo
A atomo
Ml m AN d
-» » =
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Lascopertadell’elettrone
“Wehaveinthecathoderaysmatterinanewstate,astateinwhichthesubdivisionofmatteriscarriedverymuchfurtherthanintheordinarygaseousstate:astateinwhichallmatter...isofoneandthesamekind;thismatterbeingthesubstancefromwhichallthechemicalelementsarebuiltup."
(J.J.Thomson,"CathodeRays,"TheLondonPhil.Mag.J.Science,V,Oct.1897)
http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm
=me
B
-1.758 820 12(15) x 1011 C kg-1
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15
tubodiWehneltbobinediHelmholtz,alimentatori,voltimetri,amperometrocavettidicollegamento
rmvevB
2
=
http://web.uniud.it/cird/secif/mec_q/mq.htm
Lacaricadell’elettrone!FLorentz = q
!E + q
!v ×!B
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L’esperienzadiMillikan
16
http://www.aip.org/history/gap/Millikan/Millikan.htmlPSSC:FISICA,vol.2,Cap.28-4
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L’ideadellamisura
-q
q
d