Einstein completa la rivoluzione di Planck, con l’IPOTESI dei QUANTI di LUCE: I FOTONI

Ciao come state Come sono andate le vacanze oggi capiamo come nel 1905 Albert Einstein completò il lavoro iniziato da Max Planck nell'anno 1900 e arrivò e come egli arrivò alla nascita della meccanica quantistica e all dimostrazione dell'esistenza dei fotoni di luce dei quanti di luce come vi ricordate nell'ultimo video abbiamo visto come Plan fu costretto ad arrivare a questo atto di disperazione come lo chiamò lui in cui introdusse la quantizzazione dell'energia della radiazione elettromagnetica della luce ma se per planc questa quantizzazione era solo un trucco matematico per poter descrivere i dati sperimentali della radiazione di

corpo nero Einstein dimostra che i fotoni di luce esistono veramente ovvero che la luce si propaga veramente in pacchetti di energia indivisibili spesso si si racconta si raccontano le scoperte di di grandi scienziati come Einstein mariee Galileo come un momento di forte ispirazione in cui hanno un'idea e poi comunicano questa idea ad altri e tutti si convincono della loro grande scoperta Ma come succede come accadde nel caso della nascita della meccanica quantistica non fu affatto così per esempio a scuola all'università spesso si racconta che Einstein ebbe questa brillante intuizione che con questa dimostrò come i

dati sperimentali sulle l'effetto fotoelettrico e che questo convinse tutta la comunità scientifica niente di più sbagliato come Vedremo oggi per 10 anni dopo l'articolo del 1905 l'effetto fotoelettrico non fui capace di convincere proprio nessuno dell'esistenza dei fotoni tale convinzione arrivò da un altro campo come vedremo più tardi quindi nel video di oggi capiamo anche meglio come avanza la scienza che è un connubio tra esperimenti e teoria Ah tra l'altro dopo questo video vi saranno altre novità delle belle novità che stiamo preparando tra cui un evento a cavallo tra fisica e filosofia di cui vi manderò

notizie presto sulla community di YouTube sugli altri social e sulla web di pepite nel video di oggi risponderemo Alle seguenti domande come fece Albert Einstein a convincere la comunità scientifica dell'esistenza dei fotoni che del fatto che i fotoni fossero veramente reali cos'è la catastrofe ultravioletta e come fu risolta cosa c'entrano l'entropia e il principio di equipartizione dell'energie un principio di fisica classica con i fotoni di luce perché la radiazione elettromagnetica può essere vista come un gas di particelle indipendenti tra loro e qual era l'obiettivo che Albert Einstein stava perseguendo quando cominciò l'investigazione sulla radiazione elettromagnetica

che cosa stava cercando di ottenere n oggi risponderemo a queste e a tante altre domande lungo il cammino e per farlo utilizzeremo le carte quantistiche della radiazione di corpo nero dell'ipotesi quantistica e della quantizzazione dell'energia Iscriviti al mio canale ora proprio qui così non ti perderai nessuna delle prossime novità partiamo Ecco il piano di oggi Prima di tutto capiremo alcuni esperimenti che la fisica a inizio 900 non era in grado di spiegare e come questo richiedesse un salto verso nuove teorie in seguito affiancheremo Einstein nella sua investigazione capendo per bene come riuscì a capire che

i fotoni quanti di luce esistessero veramente e non fossero solo un atto di disperazione vedremo quindi Le Scoperte di Einstein che lo portarono sulla buona strada infine raccoglieremo i frutti di quanto appreso e vedremo come altri fisici realizzarono infine quegli stessi esperimenti suggeriti da Einstein nei suoi articoli del 1905 e del 1907 vi leggo due citazioni di Albert Einstein La prima è del 1901 È stupendo sentire l'unità di fenomeni complessi che ai nostri sensi appaiono essere completamente separati cioè Einstein qui parla del fatto che vi sono fenomeni così disparati tra di loro ma che sotto

sotto si basano sulla stessa sullo stesso concetto scientifico e poi un'altra citazione del 1932 in cui in un'intervista Einstein dice il vero obiettivo della mia ricerca è sempre stato quello della semplificazione e unificazione delle teorie fisiche ovvero Albert Einstein ha in comune con Planck questa ricerca dell'unificazione dei fenomeni ricercando quei concetti che vi stanno alla base quello che planke chiamava la ricerca dell'assoluto e che Einstein Chiama più esplicitamente l'unificazione del le teorie unificazione su cui lavorò anche fino alla fine dei suoi giorni Albert Einstein e tra il 1900 tra i lavori di Planck del 1900

e quelli di H del 1905 i due fondarono la meccanica quantistica unendo due concetti che ai tempi sembravano apparentemente molto distanti tra loro quello della materia Come'è fatta la materia e Come'è fatta la luce dimostrarono cioè che anche la luce così come la materia è fatta di particelle e poi nel 1924 con Louis de broge si dimostrò che anche la materia le particelle di materia a volte si comportano come un'onda e quindi si arrivò poi dal 19 al24 fino al 24 in a una unificazione completa tra luce e materia perché entrambe offrono dimostrano di avere

questo dualismo onda particella di cui abbiamo parlato anche in altri video la fisica è una scienza sperimentale ovvero si parte dall'osservazione della natura con esperimenti e si cerca di capire il senso di queste osservazioni Partiamo quindi dai seguenti tre esperimenti quello sulla radiazione del corpo nero quello sull'effetto fotoelettrico e quello sul calore specifico dei solidi Questa è la curva sperimentale della radiazione di corpo nero Ne abbiamo parlato in un paio di video quello in cui Uso una pistola infrarossa per misurare la temperatura degli oggetti e quello sul atto di disperazione di planc tutti gli oggetti

emettono radiazione elettromagnetica tale radiazione è emessa in tutte le frequenze cioè dal blu al Rosso al verde all'infrarosso all'ultravioletto e a seconda della temperatura questa curva è piccata diciamo emette di più nell'infrarosso nell'ultravioletto nel visibile eccetera eccetera ma sempre ha questa curva sperimentale che vedete qui il punto cruciale e che secondo la fisica classica Secondo i calcoli della fisica classica la curva dobbe doveva avere questa forma che diverge ovvero che va all'infinito e esce dal grafico è la formula cosiddetta formula di riler jeans Che cosa vuol dire che questa curva esce dal grafico vuol dire

che se consideriamo una una scatola piena di radiazione elettromagnetica ovvero prendiamo un contenitore per esempio come i le sferette di ceramica utilizzate negli nel 1800 per creare questi corpi neri ideali ricopriamo l'interno di questa di questa sferetta di ceramica con della fuligine nera e lasciamo solo uscire un forellino Allora dentro vi sarà della radiazione elettromagnetica emessa dalle pareti di questa di questa scatola di ceramica e questa radiazione entra in equilibrio con la materia Ovo viene assorbita ed emessa dall dalle par secondo la formula del R jeans il fatto che questa curva se ne va dall'infinita

Vuol dire che secondo la fisica classica dentro questa sferetta ci dovrebbe essere un'energia infinita una quantità infinita di energia il che non è possibile chiaramente e e Plank fu qui che arrivò plan e disse se consideriamo che l'energia della radiazione elettromagnetica quantizzata in pacchetti di energia h nu cioè h la costante di plan e nu la frequenza allora troviamo la la forma sperimentale della razione di corpo nero e proprio questo il punto di partenza di Albert Einstein che prese quello che fece Plank e lo portò fino alla dimostrazione dell'esistenza dei fotoni il secondo esperimento da

cui partiamo Oggi è quello sull'effetto fotoelettrico prima in tutto Che cos'è l'effetto fotoelettrico Chiaramente si vide si Vine in laboratorio che bombardando con luce con radiazione elettromagnetica visibile di luce visibile infrarossa ultravioletta alcuni metalli questi metalli emettevano elettroni cioè la luce bombardava la superficie dei metalli ed estraeva elettroni da questi metalli I metalli sono fatti di atomi disposti su un reticolo cristallino rigido e alcuni degli elettroni cosiddetti elettroni di Valenza quelli meno legati sono libere di muoversi dentro il metallo la luce se Se noi facciamo incidere la luce sulla superficie del metallo questi elettroni debolmente

legati vengono estratti se ne escono con una certa velocità però i dati sperimentali Non coincidevano per niente con il fatto con la visione della luce come un'onda perché la luce è un fenomeno di ondulatorio in cui a vibrare sono i campi elettrici e magnetici nello spazio Se passiamo dal blu invece di bombardare il metallo con luce blu che vibra fortissimamente la bombardiamo con luce rossa per esempio che vibra più piano cioè fa meno onde in 1 metro diciamo o addirittura nell'infrarosso quindi dove vibra sempre di meno non viene estratto nessun elettrone Però questo non aveva

senso perché per la fisica classica la quantità di energia portata dalla luce non è determinata da quanto oscilla dalla frequenza ma dall'intensità ovvero io posso oscillare lentamente ma molto intensamente cioè fare così come delle onde molto forti nell'acqua indipendentemente dalla frequenza quando l'onda oscilla con grande intensità cioè la luce molto forte secondo la fisica classica se la luce è molto forte indipendentemente dalla frequenza dal colore doveva estrarre elettroni invece anche una luce fortissima ma con una frequenza molto bassa nel rosso nell'infrarosso non estraeva nessun elettrone e addirittura anche una luce molto molto molto tenue ma

con frequenza alta per esempio una luce blu con un'intensità molto molto debole cioè che si vede appena esteve elettroni quando invece per la fisica classica se l'intensità è molto debole vuol dire che non oscilla molto fortemente ma oscilla appena appena quindi non c'è energia per tirar fuori un elettrone quindi non ci si spiegava proprio questo effetto fotoelettrico e per ultimo abbiamo il il problema del calore specifico di alcuni solidi che secondo la fisica classica doveva essere costante il calore specifico è Quanta energia devo dare a un corpo per aumentare la sua temperatura di 1 grado

secondo la fisica classica doveva essere costante ma per alcuni metalli per alcuni solidi questo calore specifico cambiava con la temperatura e addirittura cambiava il modo in cui Questi materiali assorbivano la luce infrarossa ma la fisica classica non era in grado di capire di spiegare il perché e come Vedremo non fu l'effetto fotoelettrico a convincere da prima la comunità scientifica Ma fu quest'ultimo furono gli esperimenti su quest'ultimo esperimento quello del calore specifico a convincere che la teoria l'ipotesi quantistica di Einstein dell'esistenza dei fotoni era corretta che i fotoni esistono veramente se ci fate caso gli ultimi

due esperimenti quello su sull'effetto fotoelettrico e sul calore specifico coinvolgono la produzione e trasformazione di energia e infatti l'articolo del 1905 di Albert Einstein quello per cui prese poi il premio nobel nel 1922 du si intitola su un punto di vista euristico riguardante la produzione e trasformazione della luce euristico vuol dire che Albert Einstein ipotizza l'esistenza dei fotoni di luce ipotizza che esistano veramente che siano reali e utilizza questo concetto come un faro guida durante le sue dimostrazioni e il suo lavoro anche se non aveva ancora una conferma sperimentale che arrivò poi in seguito quindi

Albert Einstein comincia dai lavori sulla radiazione di corpo nero per attaccare il problema della luce dei quanti di luce come sappiamo Albert Einstein era uno spirito Ribelle in una lettera a mileva maric del del 12 dicembre 1901 scrive lunga vita l'impudenza e il mio angelo custode in questo mondo insomma Einstein era Sfacciato pronto a ribellarsi alle teoria vigenti e quello che cercò di fare fin da subito e in ogni cosa che faceva era di trovare i limiti delle teorie vigenti a quel momento Quindi Già prima del 1905 tra il 1901 e il 1904 si lanciò

in una serie di dimostrazioni di studi su la materia e utilizzando le metodi statistici di boltzman di Maxwell per descrivere la materia come fatta di atomi e molecole e migliorò tali metodi statistici inventò dei metodi statistici per calcolare per esempio le fluttuazioni statistiche di sistemi fatti di atomi e molecole e dimostrò dei concetti importantissimi tra il 1901 e il 1904 concetti che poi lui utilizzò che gli furono necessari nei lavori del 1905 Quindi vedete già che non fu solo Einstein che si sveglia e dice Ah ma sì ma l'idea di Plank è semplicemente questa i

fotoni esistono veramente adesso Adesso vi spiego l'effetto fotoelettrico niente di più sbagliato Einstein addirittura con questi metodi statistici di sua invenzione dimostra che il principio il secondo principio della termodinamica grandissimo pilastro della fisica classica non è valido sempre ma vi sono delle fluttuazioni a livello microscopico che vanno contro il secondo principio per un breve momento insomma Einstein si dimostra il successore degno di Maxwell di boltzman e dopo aver dimostrato questo tra il 1901 e 1904 dimostra che dimostra Quali sono i limiti di questa teoria classica della fisica classica e ci porta tutti al di là

apre la porta sulla meccanica quantistica cosa fa quindi Einstein Prima di tutto nel 1905 usa Queste tecniche di sua invenzione più quelle di Max di boltzman per dimostrare la seguente cosa prima di tutto che un sistema in equilibrio termico in un sistema in equilibrio termico vale il cosiddetto principio di equipartizione dell'energia Adesso vediamo che cos'è punto fondamentale dimostra poi che l'equazione dell'elettromagnetismo di Maxwell cioè la concezione di come era fatta la luce all'inizio 900 insieme al principio di partizione dell'energia cioè insomma Cosa vuol dire Considera della luce in equilibrio con la materia come per la

radiazione di corpo nero questi due concetti insieme portano inevitabilmente a quella formula di rych jeans che va all'infinito alla cosiddetta catastrofe ultravioletta Cosa vuol dire questo Einstein dimostra matematicamente che la fisica classica i concetti di fisica classica e di elettromagnetismo di di luce vista come un'onda portano inevitabilmente matematicamente a un contrasto con gli esperimenti e quindi dimostra matematicamente se vogliamo la necessità di nuova fisica che c'era nuova fisica da scoprire punto di partenza dell'articolo del 1905 Che cos'è il principio di equipartizione dell'energia il principio di equipartizione dell'energia ci dice che in un sistema in equilibrio

termico l'energia è ridistribuita equamente allo stesso modo con la stessa quantità su tutti i gradi di libertà del sistema e ogni grado di libertà prende una quantità di energia pari a 1/2 KT dove K è la costante di boltzman e t è la temperatura Cioè più la temperatura aumenta più Ognuno di questi gradi di libertà del sistema prende energia Cos'è un grado della Libertà vediamolo con un esempio prendiamo una molecola di acqua è fatta da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno quindi la possiamo rappresentare così dove l'atomo di ossigeno è qui

dove si uniscono i miei Palmi e gli atomi di idrogeno stanno sulle punte delle mie dita la molecola di acqua può muoversi nello spazio può muoversi in orizzontale può muoversi in verticale può muoversi verso di voi Quindi può muoversi in tre direzioni questi sono 3 gradi di libertà può anche ruotare può ruotare così può ruotare così e può ruotare così sono altri 3° di libertà ma può anche fare altre cose vibrare in questo modo può vibrare in questo modo tutte i modi in cui la molecola di acqua può muoversi sono gradi di libertà e a

una data temperatura Ognuno di questi gradi di libertà ha la stessa quantità di energia perché l'energia si ridistribuisce equamente quindi il principio di equipartizione dell'energia Ma questo è un problema grave Einstein dimostra matematicamente che questo porta alla catastrofe ultravioletta perché intuitivamente è facile da capire prendiamo una cavità quella di ceramica utilizzata nel 1800 come corpo nero e dentro vi è radiazione elettromagnetica in equilibrio con le pareti A che frequenza vibra questa radiazione elettromagnetica Supponiamo che la cavità sia di 1 m ci può essere una radiazione che ha un fa un'onda così che parte da da

parete a parete una che ha una frequenza che è la metà una che ha una frequenza che è 13 una che è 1/4 un quin un centesimo un milionesimo possiamo andare avanti all'infinito quindi ci sono infinite frequenze che possono stare dentro una una determinata cavità dentro una scatola Diciamo quindi si sono infinite frequenze ognuna di queste ha un grado di libertà della luce della radiazione elettromagnetica Ma ognuna porta una quantità di energia pare 1/2 KT a seconda della temperatura quindi 1/2 KT per infinito fa infinita energia vedete come il principio di equipartizione dell'energia insieme al

fatto che la luce sia un'onda elettromagnetismo di Max ci porta alla catastrofe ultravioletta Einstein non solo lo dimostra così in modo intuitivo ma anche matematicamente Quindi ricapitolando Einstein Prima di tutto dimostra che l'elettromagnetismo di maxo che descrive la luce come un'onda più la fisica classica D delle equipartizione dell'energia portano a un disaccordo fortissimo con gli esperimenti e quindi dimostra matematicamente che c'è bisogno di nuova fisica ma sappiamo che nell'anno 1900 Plank dimostrò che si poteva arrivare a descrivere la forma esatta della radiazione di corpo nero sperimentale introducendo questa ipotesi di quantizzazione dell'energia quindi forti D

della dimostrazione precedente di Albert Einstein possiamo dire che la formula di Plank non rispetta il principio di equipartizione dell'energia perché se la rispettasse si arriverebbe alla formula dei riler jeans della catastrofe ultravioletta E infatti poi nel 1906 Einstein dimostrò matematicamente che se si parte dall'ipotesi di quantizzazione dell'energia di planco ovvero che la luce L'energia della della luce della razione elettromagnetica viene in pacchetti di energia h nu dove h la costante di plan e nu è la frequenza della luce frequenza vuol dire il colore della luce per intenderci Allora si arriva matematicamente a dimostrare che uno

vale la formula di Plank e due non tutti i gradi di libertà della luce sono eccitati allo stesso modo non vale più il principio di equipartizione dell'energia cioè l'ipotesi di quantizzazione dell'energia della luce di Planck porta matematicamente dimostrato da Einstein all'invalidità del principio di cooperzione dell'energia Cioè non tutte le frequenze sono e citate allo stesso modo ovvero questa ipotesi di Planck Einstein dimostra che è la porta per questa nuova fisica la cui necessità e gli aveva dimostrato con il passaggio precedente perché la quantizzazione l'energia non ci porta più alla al principio di co partizione dell'energia

e alla catastrofe ultravioletta perché immaginate dentro questa scatolle in cui ci sono infiniti gradi di libertà della luce cioè infinite frequenze cosa succede che se per ogni frequenza il il quanto di luce minimo più piccolo è pari ad H moltiplicato per la frequenza per frequenze molto basse questa questo quanto di luce è piccolo e quindi ha una data temperatura Ho una grande probabilità di eccitare uno o più di questi fotoni a bassa frequenza ma per frequenze molto alte più salgo con la frequenza più il quanto di luce minimo ha un'energia altissima e quindi a una

data temperatura non riuscirò ad eccitare tale fotone a creare tale fotone tecnicamente c'è una probabilità sempre più bassa di eccitare tali fotoni quindi a una datta temperatura non tutte le frequenze Che sono infinite possono essere eccitate Cioè non tutti non si creano fotoni di tutte le frequenze ma solamente i fotoni di un'energia equiparabile a quella della temperatura KT e per per fotoni di frequenze più alte la probabilità scema quindi chiaramente questo porta al fatto che l'energia dentro una scatola non sia più infinita perché non posso creare infiniti fotoni ma solo quelli di una certa frequenza

fino a una certa frequenza Einstein dimostra quindi che c'è è necessaria nuova fisica matematicamente e che l'ipotesi di quantizzazione dell'energia di Plank porta proprio alla differente probabilità di citazione dei vari gradi di libertà della luce E questo porta all'accordo con i dati sperimentali Quindi questa quantizzazione dell'energia della luce è necessaria per spiegare i dati sperimentali quindi comincia a prendere corpo quest'idea che i fotoni esistono veramente Però Einstein non ha ancora dimostrato l'esistenza dei fotoni come fa nel 1905 Albert Einstein scrive all'amico Conrad abicht matematico svizzero parlando di un articolo che sta preparando di un'idea che

ha avuto sulla famosa formula E = M G C qu di cui parliamo anche nel mio nuovo libro e gli dice mi è venuto in mente un'altra conseguenza dell'articolo sull'elettrodinamica Cioè sulla relatività speciale il principio di relatività dice Einstein insieme all'equazione di Maxwell richiede che la massa sia una misura diretta dell'energia contenuta in un corpo e che la luce quindi trasporti Massa l'idea è fascinante e seducente cioè Einstein dimostra grazie alla relatività che anche oggetti senza Massa come la luce possono trasportare energia e momento senza avere massa e questo lo convince ancora di più dell'esistenza

dei fotoni Perché i fotoni possono essere particelle senza Massa che però trasportano energia trasportano momento senza andare con Cont le nuove leggi della relatività che che aveva appena scoperto e a questo punto Einstein fa forse il passo più importante di tutta di tutta questa sequenza di grandi passi per arrivare all'unificazione tra materia verso l'unificazione tra materia e luce infatti nel 1905 ancora la visione dei fisici era tale per cui la materia e la luce erano due fenomeni completamente diversi a cui si che si studiavano con metodi completamente diversi e che rispettavano leggi diverse tra loro

Einstein vuole unificare queste due visioni E dimostrare l'esistenza dei fotoni è il primo passo come abbiamo detto è interessante leggere come un Einstein 26n scrive in un articolo a tutta la comunità scientifica le proprie idee E come Avanzi l'ipotesi quantistica dell'esistenza dei fotoni immaginate un giovincello che dice a ai grandi scienziati del tempo Qual è la direzione da prendere e che questa direzione sia stravolgente vi leggo un passaggio dell'inizio dell'articolo del 1905 di Einstein una profonda differenza esiste tra i concetti teorici che i fisici hanno sviluppato da un lato per i gas e i corpi

con Massa la materia e dall'altro per la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell della luce secondo la visione attuale dei fisici l'energia di un corpo materiale è rappresentabile come la som dell'energia dei suoi atomi ed elettroni Cioè quantizzata mentre l'energia di un raggio di luce si distribuisce in modo continuo Non quantizzato Su un volume sempre più grande la luce diventa sempre più tenue con una intensità piccola a piacere ma in effetti continua Einstein qui il punto importantissimo mi sembra che le osservazioni sperimentali appaiono molto più comprensibili se uno assume che l'energia della luce sia distribuito In modo

discontinuo nello spazio ovvero che un raggio di luce consista di un numero finito di quanti che si muovono nello spazio indivisibili e che possono essere assorbiti o generati solo come unità intere i fotoni Poi fu nel 1926 in una lettera a Nature che il fisico chimico Gilbert Lewis coniò il termine fotoni dal greco Fos Che vuol dire luce cioè Einstein inizia l'articolo del 1905 con questa ipotesi con questo punto di vista euristico dell'esistenza dei fotoni d'accordo vi chiederete Ma come fa quindi a dimostrare questa esistenza dopo quello che abbiamo visto che ha già dimostrato nel

1905 ancora non tutti i fisici e le fisiche dicevamo anche nell'altro video su Planck credevano nell'esistenza di atomi e molecole tra i grandi difensori dell'esistenza di atomi e molecole non solo vi era ansta ma vi era che boltzman il quale aveva sviluppato una tecnica importantissima in cui si poteva descrivere l'evoluzione di un sistema di atomi e molecole utilizzando una un calcolo matematico che calcolava una quantità detta entropia l'entropia misura il numero di configurazioni microscopiche di un sistema Cosa vuol dire prendiamo un vaso di acqua per capirci per capirlo con un esempio un vaso di acqua

lo appoggio sul tavolo se non do colpi al tavolo l'acqua si si stabilizza e rimane ferma Dal mio punto di vista la pressione la temperatura il volume non cambiano la densità sono quantità che Io osservo con i miei occhi sono quantità macroscopiche Cioè che io misuro in quanto essere vivente fatto da tantissime molecole atomi ma a livello microscopico gli atomi le molecole si muovono all'impazzata urtano tra di loro si scambiano energia quindi mentre io vedo il il vaso di acqua che non cambia le cui proprietà non cambiano all'interno le molecole gli atomi si riarrangiate ed

esistono ed esiste un grande numero di modi in cui le molecole e gli atomi possono riarrangiato di acqua perfettamente in equilibrio che non cambia di cui le proprietà non cambiano l'entropia misura quanti modi microsc In quanti modi microscopici le molecole degli atomi possono riarrangiare di posizione scambiarsi di velocità di energia eccetera eccetera ma che dal mio punto di vista sono tutti modi appaiono tutti allo stesso modo contando questo numero di configurazioni microscopiche che io Non distinguo Insomma contando misurando in un certo modo la mia ignoranza Perché non riesco a vedere agli atomi e le molecole

calcolando l'entropia posso capire come evolve il sistema e come è fatto Einstein utilizza questo concetto di entropia che avevo usato anche anche Plank vi ricordate per arrivare alla sua formulazione del dell'ipotesi di quantizzazione dell'energia e la applica tukur senza chiedersi niente alla luce e dimostra che l'entropia di una cavità piena di di radiazione elettromagnetica è la stessa entropia di questa cavità riempita di un gas di atomi inerti per esempio di un gas di Neon o di Argon l'entropia di un gas di atomi è uguale all'entropia radiazione elettromagnetica della luce cioè si può descrivere la luce

microscopicamente come un gas di particelle indipendenti tra loro i fotoni e quindi Einstein conclude nell'articolo del 1905 verso la fine da questo concludiamo che la radiazione monocromatica cioè di un solo colore si comporta termodinamicamente come se fosse costituita da quanti indipendenti di energia con valore di energia H per frequenza h nu dove h la di Plank e ancora una volta lui arriva a questa conclusione dimostrando che se il punto di partenza se prendiamo per valida la quantizzazione dell'energia di Plank uguale ad hn allora si arriva a questa conclusione entropia della luce uguale entropia di un

gas di atomi Quindi a questo punto è facile il passaggio il passaggio finale dell'articolo di Einstein dove dice quindi è facile pensare che quando la la radiazione elettromagnetica la luce si espande nello spazio la sua energia non diminuisce di una quantità infinitesima sempre più piccola di una quantità qual si voglia ma che si propaghi come con come pacchetti indipendenti di energia e che quando questa luce interagisce con la materia lo fa scambiando pacchetti interi di energia Cioè o scambia un fotone o non scambia energia affatto Non può scambiare mezzo fotone e quindi propone una serie

di esperimenti da fare da eseguire per verificare se la sua ipotesi dell'esistenza di fotoni è vera perché una teoria scientifica deve poter proporre a un certo punto degli esperimenti che dicano se esce questo risultato la teoria è valida se esce quest'altro risultato la teoria è sbagliata Einstein conclude l'articolo del 1905 proponendo descrivendo tre esperimenti e come l'ipotesi dell'esistenza dei quanti di luce dei fotoni posso spiegare i risultati sperimentali uno di questi sperimenti è l'effetto fotoelettrico di cui abbiamo parlato all'inizio di questo video non solo spiega qualitativamente perché l'effetto fotoelettrico mostra tali risultati sperimentali ma anche

fornisce una formula e propone degli esperimenti per verificare questa formula come fa l'ipotesi quantistica dell'esistenza dei fotoni a spiegare l'effetto fotoelettrico vediamo abbiamo detto che se mandiamo luce su dei metalli si possono estrarre degli elettroni cioè elettroni debolmente legati nel metallo vengono Acquisiscono l'energia dalla radiazione elettromagnetica dalla luce e vengono estratti escono dal metallo con varie velocità a seconda del tipo di luce che è stata mandata Ora si ved che se si mandava luce sotto una certa frequenza verso il rosso o nell'infrarosso a un certo punto sotto una certa frequenza non venivano emessi più più

elettroni questo è facilmente spiegato rappresentando immaginando la luce come fatta di fotoni invece che di onde perché perché se ogni fotone porta una quantità fissa di energia e questa quantità dipende dalla frequenza dal colore quando la frequenza Diventa molto bassa la quantità di energia di ogni singolo fotone è piccola e se questa quantità è più piccola dell'energia minima necessaria per at tirar fuori un elettrone dal metallo non importa quanti fotoni mando ogni fotone avrà un'energia troppo piccola e Siccome l'interazione tra luce e materia punto cruciale avviene tra un fotone e una particella non importa quanti

fotoni mando un fotone alla volta interagirà con un elettrone alla volta quindi questo fotone non avrà abbastanza energia per estrarre l'elettrone se aumento la frequenza allora ogni fotone avrà abbastanza energia da espellere un elettrone e più aumento la frequenza più l'elettrone verrà espulso con grande velocità cosa verificata sperimentalmente addirittura se l'intensità della luce è molto fioca cioè sperimentalmente non è una luce intensa ma è così debole Che magari la vedo appena ad occhio nudo o addirittura non la vedo ad occhio nudo perché viene messo un fotone alla volta ma questo fotone ha un una frequenza

molto alta Quindi verso il blu verso l'ultravioletto questo fotone anche se arriva un fotone alla volta un fotone al secondo un fotone al minuto potrà espellere un elettrone perché urtando un elettrone questo fotone verrà assorbito D elettrone che verrà espulso dal metallo quindi l'effetto fotoelettrico trova una spiegazione naturale grazie al fatto che la luce è fatta se vediamo la luce come fatta di fotoni indivisibili che interagiscono con la materia un fotone alla volta spesso si sente dire questa spiegazione dell'effetto fotoelettrico convinse tutti dell'esistenza dei fotoni e lì nacque la meccanica quantistica No per 10 anni

esperimenti sull'effetto fotoelettrico furono inconcludenti non erano abbastanza conclusivi E finché nel 1914 il fisico mikan mise in piedi un esperimento cercando di dimostrare che l'ipotesi di Einstein dell'esistenza dei fotoni non era valida lui non era convinto di questa ipotesi dell'esistenza dei fotoni nel 1914 9 anni dopo mikan trovò nei suoi esperimenti che la formula di Einstein era in perfetto accordo con l'esperimento e quindi ebbe la onestà intellettuale di pubblicare un articolo in cui confermava sperimentalmente la formula predetta da Einstein nel 1905 e quindi l'esistenza dei fotoni di luce ma la comunità scientifica non si convinse

Grazie all'effetto fotoelettrico dell'esistenza dei fotoni bensì da un'altra predizione di Einstein che nel 1907 utilizzando le stesse tecniche e gli stessi concetti dei fotoni dimostrò come il calore specifico di alcuni soldi doveva cambiare con la temperatura e come si assorbivano la radiazione infrarossa in un certo modo E nel 1910 gli esperimenti di nerst lindman dimostrarono la validità di queste previsioni e fu lì che la comunità scientifica si convinse dell'ipotesi della validità dell'ipotesi quantistica e nell'articolo di nerst lindman nel 1910 essi in una frase scrivono in modo chiaro che i Padri della meccanica quantistica sono Planck

e Einstein vi leggo la citazione di nerst lman le osservazioni nella loro totalità forniscono una brillante confermazione della teoria quantistica di Planck ed Einstein Plank ed Einstein i padri della meccanica quantistica ed è interessante per concludere questo video realizzare come Einstein proceda nel 1905 anche con metodi contraddittori Tra loro perché da un lato avvia la rivoluzione della attività nel 1905 e nello stesso anno quella sulla meccanica quantistica che abbiamo descritto oggi ma nell'articolo sulla meccanica quantistica sull'ipotesi dei fotoni di luce dimostra i limiti dell'elettromagnetismo di Maxwell e come bisogna andare oltre entrare nella meccanica quantistica

per descrivere bene la luce ma nel nell'articolo sulla relatività Usa questo stesso elettromagnetismo di Maxwell che attacca nel primo articolo per dimostrare i limiti della teoria di Newton e arrivare a la relatività ristretta quindi metodi contraddittori forse richiesti insomma in un metodo di Forte rivoluzione scientifica tutta concentrata in pochi anni Iscriviti al mio canale proprio qui e attiva la campanella e non ti perderai tutte le prossime novità che sto preparando e ricordati la fisica è la poesia della natura insieme faremo grandi cose esploreremo i concetti alla frontiera della ricerca sci e anche i concetti fondamentali

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