IlMondoMicroscopico

L.Martina

DipartimentodiFisicaUniversitàdelSalentoSezioneINFN- Lecce

1PLS:2017/‘18

MateriaeRadiazione

2- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - --Comefunziona?

Perchéduroetrasparente?

Perchémalleabileeconduttore? Comesitrasforma

laluceinforzavitale?

Qualel’originedellasuaenergia?

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

Termodinamica - 1

( 0)L >( 0)Q >

( 0)Q < ( 0)L <U Q LD = -

• Principiozero:seicorpiAeBsonoentrambiinequilibriotermicoconunterzocorpoC,alloralosonoanchefraloro.

• Primoprincipio ( conservazionedell'energia):lavariazionedienergiainternadiunsistemaèlasommaalgebricadelcaloreedellavoroscambiaticonl’ambiente

• 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

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

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

“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)

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

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

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

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

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

-» » =

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

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

L’esperienzadiMillikan

16

http://www.aip.org/history/gap/Millikan/Millikan.htmlPSSC:FISICA,vol.2,Cap.28-4

L’ideadellamisura

-q

q

d