Il Corpo Nero

Cinquantaduesima puntata

Avreste mai creduto che studiando qualcosa di apparentemente marginale e tutto sommato di scarso interesse si potesse giunge a una scoperta fondamentale, di quelle che provocano vere e proprie rivoluzioni scientifiche? È proprio quello che è accaduto con la scoperta della meccanica quantistica, che è nata grazie alla caparbietà di fisici che si ostinavano a cercare di prevedere di che colore sarebbe stato il forno del pizzaiolo se fosse stato più caldo. Non sembra una di quelle domande che non fa dormire la notte, eppure…

 

 

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14 Responses to Il Corpo Nero

  • Elisabetta borsella says:

    Mi piacerebbe ricevere per e-mail le notifiche relative alle nuove puntate di fisicast

  • Merola Antonio says:

    Ottima lezione, ma se fosse abbinata a delle slides e/o filmati sarebbe dal punto di vista didattico eccezionale. Vi prego di considerare la proposta che permetterebbe a tanti alunni di comprendere meglio la crisi della fisica classica. Saluti e buone vacanze

    • Giovanni Organtini says:

      Caro Merola,
      Ci piacerebbe avere abbastanza risorse per produrre filmati, animazioni e/o slide di buona qualità. Sfortunatamente i nostri impegni già ci rendono difficile sostenere il ritmo delle pubblicazioni su FISICAST e temo che non riusciremo a produrre materiale didattico utile in tempi brevi.

      La buona notizia è che sul mio sito (cercare Giovanni Organtini su Google) potete già trovare un po’ di materiale (non slide, ma appunti e risorse varie come filmati, app, etc.). Quel tipo di materiale è periodicamente aggiornato man mano che lo produco per le mie lezioni.

      prima o poi dovrò fare qualcosa anche per il corpo nero. Se crede può contattarmi direttamente per valutare insieme quali siano i tool da sviluppare prioritariamente.

      Grazie per il suo commento.

  • ERV says:

    Queste lezioni non sono solo interessanti, ma si prestano anche alla didattica. Complimenti per il lavoro svolto. Vi seguo sempre con entusiasmo !

  • Giuseppe Zaccaria says:

    Il teorema di Kirchhoff sulle cavità in equilibrio termico è messo in discussione in questa lezione di un PhD americano. https://www.google.it/url?sa=t&source=web&rct=j&url=https://m.youtube.com/watch%3Fv%3DDodFojdkSIA&ved=2ahUKEwiaxPuexKXsAhWSzKQKHXC8A6wQo7QBMAJ6BAgCEAE&usg=AOvVaw2nJTORnhq_Vbrj6Ihy2j71
    Se non ricordo male il teorema di K. è presupposto a fondamento delle leggi di Stefan-Boltzmann e Wien sull’irraggiamento che sono leggi corrette e compatibili con la teoria do Planck in quanto di derivazione essenzialmente termodinamica. Come si può dire dunque che il Teorema di K sia sbagliato come sembra dalla video lezione su indicata?

    • Non conosco in dettaglio il lavoro di Robitaille, ma in ogni caso una risposta plausibile la si può dare. I risultati di Wien e di Stefan-Boltzmann sono corretti solo approssimativamente. Come noto, sperimentalmente, lo spettro di corpo nero non è compatibile con i modelli citati, ma lo è solo in certe approssimazioni. Proprio tale osservazione ha portato alla formulazione della teoria dei quanti. Ricordiamo che la fisica è una scienza sperimentale. Il teorema di Kirchhoff è matematica: dunque se la sua dimostrazione è corretta non può non essere vero. Se tuttavia si applica il teorema a qualche grandezza fisica può accadere che non sia valido. Il motivo, tuttavia, non è che il teorema è “sbagliato”, ma che non si può applicare a quella grandezza fisica perché si assumono condizioni non verificate. Per esempio, le leggi di cui sopra sono evidentemente vere se si assume che l’elettromagnetismo di Maxwell e, di conseguenza, si ammette una natura ondulatoria e continua della luce. Se tale natura non si verifica sperimentalmente (ed è questo il caso) allora si deve modificare il modo di fare i conti e questo porta alla soluzione corretta di Planck.

      Giovanni Organtini

  • giuseppe zaccaria says:

    mi pare che la teoria di Planck del corpo nero sia analoga per molti aspetti alla teoria approssimata sviluppata da Einstein qualche tempo dopo per i calori specifici a volume (Cv) costante. Mi domando come mai ci sia perfetta aderenza tra risultati sperimentali e formula di Planck e non altrettanta rispondenza invece tra la formula di Einstein per il Cv e le relative curve sperimentali, al punto che nel caso del Cv è stata necessaria la correzione per la non armonicità degli oscillatori introdotta da Debye. Accade perchè l’irraggiamento avvenendo ad alte temperature è, per così dire, più robusto a deviazioni dalla idealità mentre i calori specifici ne risentono molto di più? E’ affascinante come una grandezza semplice nella sua definizione come il Cv nasconda problematiche profondissime della fisica.

    • La compatibilità tra un risultato teorico e il corrispondente esperimento è sempre funzione delle approssimazioni che si fanno per ottenere il risultato teorico che è quasi sempre un’idealizzazione della realtà, nel quale si trascurano numerosi effetti. In effetti questo è il motivo per il quale sostentiamo che, contrariamente a quanto pensa la maggior parte delle persone, la fisica moderna è molto più comprensibile di quella classica: quest’ultima ha necessariamente a che fare con sistemi complicati che sono spesso idealizzati in modo grossolano così che i risultati sperimentali spesso differiscono sensibilmente dalle previsioni teoriche che si possono fare in casi molto semplici. Al contrario, i sistemi quantistici sono spesso molto semplici e le approssimazioni che si devono fare per rappresentarli matematicamente sono minime, il che conduce a una molto maggiore compatibilità tra teoria ed esperimento.

      Date queste considerazioni di carattere generale, si comprende che il modello di Einstein è un modello assai semplificato di un solido. In quel modello Einstein suppone che i costituenti del solido non siano interagenti, ad esempio. Si tratta evidentemente di un’ipotesi non vera, giustificata dal fatto che tali interazioni, che certamente ci sono, possono, almeno in numerosi casi, essere deboli e si possono quindi trascurare. Quando si fanno gli esperimenti l’approssimazione è valida soltanto nei casi limite, mentre nella maggior parte dei casi produce deviazioni che in molti casi si possono stimare o limitare, rendendo così plausibile la teoria. Debye, nel formulare il suo modello, non considerò trascurabili le interazioni tra i costituenti dei solidi e questo gli permise di formulare un modello più aderente alla realtà sperimentale.

      Va detto, però, che allo scopo di comprendere il funzionamento di un sistema fisico non è sempre necessario disporre di un modello estremamente sofisticato e i modelli più grossolani possono funzionare egregiamente per spiegare le caratteristiche principali di un fenomeno.

      La teoria di Planck funziona molto bene perché sperimentalmente si può realizzare un corpo nero molto vicino a quello ideale. Tuttavia, anche applicando la teoria di Planck a un pezzo di carbone incandescente, che di certo si può ben assimilare a un corpo nero, troverebbe di sicuro qualche deviazione rispetto ai dati sperimentali. L’entità di queste deviazioni è solo molto piccola e occorrono strumenti molto sensibili per poterla apprezzare.

      Infine, mi lasci dire che non mi sento di condividere la sua ultima affermazione. A me non sembra che la definizione del calore specifico sia semplice. Il ruolo del calore specifico ingloba una complessa serie di meccanismi che sono quelli che consentono a un corpo di assorbire energia, il che è tutt’altro che semplice.

  • Giuseppe Zaccaria says:

    Il principio su cui funziona il termoscanner è forse basato su una delle leggi dell’irraggiamento? Girano voci sul fatto che il termoscanner (la pistola termometrica per intenderci) emetterebbe pericolose radiazioni laser che addirittura potrebbero danneggiare il cervello. Vorrei qualche lume a riguardo del funzionamento del termoscanner. Grazie sempre alla meritevolissima redazione di FISICAST

  • Enrico says:

    Complimenti per la per la trasmissione. Sono min docente di Chimica e Biologia presso un Liceo di Brindisi.
    Ho aperto un canale YouTube in cui faccio delle video lezioni di Chimica e Biologia.
    Ultimamente ho pubblicato un video animato in HD sull’atomo di Thomson e Rutherford.

    Posto il link: https://www.youtube.com/watch?v=HwWuDXj5aMM&t=8s

    Adesso sto realizzando un video sul corpo nero e sull’ipotesi di Planck.
    Vorrei animare gli oscillatori attraverso delle molle alle cui estremità si trovano gli atomi.
    Questa rappresentazione grafica sarebbe corretta? Cioè fare oscillare molle e atomi all’unisono.
    Non sono un fisico e le mie conoscenze sono limitate.
    Ci sarebbe un modo migliore per rappresentare i quanti emessi dagli atomi?
    Grazie infinite
    Enrico Vitali

    • Complimenti a lei! I video animati sono sempre molto laboriosi, quindi deve aver fatto un lavoro non indifferente per realizzarli.

      Venendo alla questione della domanda: un modello con gli atomi legati da molle è ragionevolmente corretto entro certi limiti. In pratica, come saprà, la Legge di Hooke è solo la serie di Taylor troncata al primo ordine di una forza che dipende da una distanza, quindi, immaginando che la forza che tiene insieme gli atomi sia funzione della loro distanza, in prima approssimazione si può scrivere come quella di una molla.

      In una situazione che simuli la cessione di calore a una sostanza, probabilmente l’oscillazione di questi atomi apparirebbe più disordinata. Far oscillare gli atomi all’unisono, dunque, sembra (a prima vista) meno corretta come idea. Io li farei oscillare in maniera casuale.

      Per quanto invece riguarda l’emissione di quanti, come tutti i fenomeni quantistici che non hanno un analogo classico, ogni rappresentazione che possiamo immaginare di realizzare sarebbe sbagliata. Tuttavia è chiaro che in qualche modo uno deve pur provare a dare un’idea di quel che succede. Per questo si usano sempre delle metafore (a dire il vero questo accade anche con la fisica classica, ma lì il problema è meno evidente). Non posso dunque darle una “ricetta” per la rappresentazione che sia “corretta”. Al massimo posso dirle come lo farei io, sapendo che ci sarebbe comunque qualche collega che non sarebbe d’accordo.

      Io rappresenterei l’emissione dei quanti come una sorta di flusso continuo che promana dalla loro sorgente che, di tanto in tanto, si “localizza” nella forma di una pallina molto piccola. Non so bene come dire: immagini una serie di rette che escano, come raggi luminosi, da un atomo rappresentato come una sfera. Si dovrebbe dare l’idea, comunque, di movimento: i raggi devono essere qualcosa che “esce” dall’atomo, non statici. Di tanto in tanto la retta deve sparire di colpo e in uno dei suoi punti a caso dovrebbe comparire un puntino (magari in colore diverso), che si propaga nella direzione della retta da cui è emerso. Poco dopo però dovrebbe sparire nuovamente e tornare a essere un raggio.

      È una rappresentazione complicata, me ne rendo conto. Non è nemmeno facilmente comprensibile e per di più rischia di essere fuorviante. Ma temo che su questo punto non ci sia nulla da fare: se fosse stato possibile costruire modelli più semplici non avremmo avuto bisogno di costruire una nuova teoria come la meccanica quantistica.

  • Giuseppe Zaccaria says:

    Giuseppe Zaccaria says:
    20/10/2020 at 17:00
    Il principio su cui funziona il termoscanner è forse basato su una delle leggi dell’irraggiamento? Girano voci sul fatto che il termoscanner (la pistola termometrica per intenderci) emetterebbe pericolose radiazioni laser che addirittura potrebbero danneggiare il cervello. Vorrei qualche lume a riguardo del funzionamento del termoscanner. Grazie sempre alla meritevolissima redazione di FISICAST

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