Corso di studi di Scienza dei materiali
Corso di Storia delle scienze sperimentali

Indice delle lezioni 2011-2012

 

Dispense del corso di Storia delle Scienze Sperimentali

 

Fascicolo 13                        Lezioni 25-26

 Fascicolo 13 in formato pdf             Diapositive delle Lezioni 25-26

 

Avvertenza generale

Queste dispense sono scritte come commento e integrazione delle diapositive proiettate a lezione.

Le dispense sono incomprensibili se non si hanno sotto gli occhi le diapositive.

Contengono inoltre brevi passi di fonti originali e di scritti di storia della scienza.

Se il rinvio alle diapositive è seguito dalla scritta "Nessun commento" si intende che il contenuto delle diapositive è adeguato ad essere di base per l'esame.

In ogni caso si deve studiare il contenuto delle diapositive.

Tuttavia le dispense e le diapositive non sono sufficienti per la preparazione dell'esame. Occorre riflettere sugli appunti presi a lezione. Chi non li avesse presi (o non possedesse una formidabile memoria) può sempre chiederli ad un collega.

Sono richiamate in modo specifico le pagine oggetto di esame dei testi forniti agli allievi, ma una lettura più estesa degli stessi testi non potrà che essere utile ad una migliore comprensione della storia della scienza.

Diapositiva 1

 Argomenti delle lezioni 25-26

I raggi uranici e la radioattività di Marie e Pierre Curie

Max Planck e il corpo nero

Il modello atomico di J.J. Thomson

1905: i contributi di Einstein

La trasmutazione degli elementi

La diffrazione delle particelle alfa e il modello atomico di Rutherford

Difficoltà epistemologiche

Planck: la chimica come scienza modello per il mondo microscopico

Bohr: il modello atomico e oltre

Lo sviluppo della meccanica quantistica

Dirac e Pauling sulla riduzione della chimica alla fisica

Diapositiva 2 Nessun commento

Diapositive 3-5

Gerhard Carl Schmidt (1865 –1949) was a German chemist. Schmidt was born in London to German parents. Schmidt studied chemistry and received his PhD for work with Georg Wilhelm August Kahlbaum in 1890. In 1898, two months before Marie Curie, Schmidt discovered that thorium is radioactive.

Pierre e Marie Curie - Fisici francesi, furono tra gli scopritori della radioattività.

Pierre (Parigi 1859 - ivi 1906) esordì nel 1880 con ricerche, condotte insieme al fratello Paul-Jacques, sui fenomeni piezoelettrici, dalle quali fu condotto a originali vedute sulla simmetria cristallina; studiò poi gli effetti delle variazioni di temperatura sulle proprietà magnetiche dei corpi; quindi si dedicò a ricerche, cui deve la fama, sul comportamento di sostanze radioattive.

Maria Sklodowska (Varsavia 1867 - Sancellemoz, Alta Savoia, 1934).  Alla scoperta, dovuta ad H. Becquerel (1896), della proprietà dei sali di uranio di emettere radiazioni, seguì subito dopo (1897) la scoperta, dovuta a M. Curie e A. Schmidt, di proprietà analoghe nei sali di torio. Nell'anno 1898, dopo un biennio di paziente lavoro, i coniugi C. riuscirono a isolare dalla pechblenda alcuni composti di bismuto aventi una radioattività circa 400 volte maggiore dell'uranio, che venne attribuita a un elemento chiamato polonio, in onore della patria di M. Curie, e isolato poi da M. Curie medesima e A.-L. Debierne.

Nello stesso 1898 i C. insieme a G. Bémont ottennero, sempre dalla pechblenda, cloruro di bario fortemente radioattivo: l'elemento sconosciuto che, presente in minime tracce in questa sostanza, produceva tale radioattività fu chiamato radio.

Tra il 1899 e il 1903 Marie C. riuscì a isolare il bromuro di radio, ottenendo da circa 7 t di minerale circa 1 g del sale, quantità tuttavia sufficiente per studiare a fondo le proprietà del radio. I C., che già in precedenza avevano studiato la natura delle radiazioni emesse e il fenomeno della radioattività indotta (spiegata poi da E. Rutherford in seguito alla scoperta del gas 'emanazione' [il radon]), osservarono, insieme ad A. Laborde, che un campione puro di un sale di radio sviluppa calore in modo continuo e costante senza sensibile variazione alcuna (in [palese] contraddizione con il principio della conservazione dell'energia).

Ai C. si devono anche le prime osservazioni sugli effetti fisiologici delle sostanze radioattive. Nel 1903 essi ebbero, insieme a H. Becquerel, il premio Nobel per la fisica, per le loro ricerche sulla radioattività.

Dopo la morte del marito, investito da una carrozza, insegnamento e ricerche furono proseguiti da M. Curie, che nel 1910 riusciva a isolare il radio metallico e nel 1911 riceveva il premio Nobel anche per la chimica.

Durante la guerra mondiale M. Curie si dedicò all'organizzazione del servizio radiologico dell'esercito. (Testo dall'Enciclopedia Treccani, in parte modificato e corretto; ho lasciato ed evidenziato una informazione errata, per sottolineare che errori si possono trovare in qualsiasi racconto storico – comprese queste dispense)

Sulle prime ricerche di Marie Curie:

Since 1882, Pierre had headed the laboratory at the Ecole de Physique et de Chimie Industrielle in Paris, and it was here that both Marie and Pierre continued to work after their marriage. For her doctoral thesis, Madame Curie decided to study the mysterious radiation that had been discovered in 1896 by Henri Becquerel. With the aid of an electrometer built by Pierre and Jacques, Marie measured the strength of the radiation emitted from uranium compounds and found it proportional to the uranium content, constant over a long period of time, and uninfluenced by external conditions. She detected a similar immutable radiation in the compounds of thorium. While checking these results, she made the unexpected discovery that uranium pitchblende and the mineral chalcolite emitted about four times as much radiation as could be expected from their uranium content. In 1898 she therefore drew the revolutionary conclusion that pitchblende contains a small amount of an unknown radiating element.

Diapositiva 6  Nessun commento

Diapositiva 7

Planck è estremamente consapevole della assoluta generalità (le costanti della natura) del suo lavoro e della totale arbitrarietà della scelta di quantificare le energie dei gruppi di oscillatori.

Diapositive 8-9

Planck stabilisce un rapporto straordinario, unico, fra i dati sperimentali e l'elaborazione teorica.

Diapositive 10-11

Thomson fu molto colpito dalle ricerche del fisico americano Alfred Mayer. Le ricerche di Mayer furono già citate da Thomson al momento della scoperta dell'elettrone, ma dovettero passare molti anni prima che il fisico inglese azzardasse una elaborazione fisico- matematica.

Diapositiva 12

Domande lasciate senza risposta:

  • Da 'cosa' è costituita la sfera di carica positiva in cui si muovono liberamente e senza attrito gli elettroni (che qui e fino al 1914 Thomson chiamerà sempre 'corpuscoli')?
  • 'Dove' e 'in che cosa' risiede la massa atomica?

Diapositive 13-15  Nessun commento

Diapositiva 16

Alla quantizzazione dell'energia degli oscillatori di Planck Einstein fa corrispondere la più audace quantizzazione della radiazione elettromagnetica: i Lichtquanten, i quanti di luce.

Diapositiva 17

Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson (30 August 1871 – 19 October 1937) was a New Zealand chemist and physicist who became known as the father of nuclear physics. In early work he discovered the concept of radioactive half-life, proved that radioactivity involved the transmutation of one chemical element to another, and also differentiated and named alpha and beta radiation, proving that the former was essentially helium ions. This work was done at McGill University in Canada. It is the basis for the Nobel Prize in Chemistry he was awarded in 1908 "for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances".

Rutherford performed his most famous work after he had moved to the Victoria University of Manchester in the UK in 1907 and was already a Nobel laureate. In 1911, he theorized that atoms have their positive charge concentrated in a very small nucleus, and thereby pioneered the Rutherford model of the atom, through his discovery and interpretation of Rutherford scattering in his gold foil experiment.

He is widely credited with first "splitting the atom" in 1917 in a nuclear reaction between nitrogen and alpha particles, in which he also discovered (and named) the proton. This led to the first experiment to split the nucleus in a fully controlled manner, performed by two students working under his direction, John Cockcroft and Ernest Walton, in 1932. After his death in 1937, he was honoured by being interred with the greatest scientists of the United Kingdom, near Sir Isaac Newton's tomb in Westminster Abbey.  (Wikipedia)

Diapositive 18-19 Nessun commento

Diapositiva 20-22

L'immagine e il testo che segue sono tratti da: http://137.193.61.237/ita/theory.htm#einseins

Diapositiva 23

L'eccezionalità epistemologica del modello di Rutherford risulta da due fatti:

(a) Il primo fatto è interno alla procedura teorica di Rutherford: il fisico neozelandese utilizza le leggi dell'elettromagnetismo e della meccanica classica per calcolare l'intensità della carica centrale. Le stesse leggi condannano l'atomo così concepito ad essere instabile (come aveva già dimostrato il fisico giapponese Nakamura nel 1904).

(b) Malgrado questa clamorosa contraddizione la comunità scientifica accettò di buon grado il modello di Rutherford. Si aggravava la crisi della fisica classica, ma - appunto - la crisi era già in corso (in seguito, tra l'altro, ai citati di Planck 1900 e di Einstein 1905).

Diapositiva 24

La citazione di Planck propone la chimica come scienza di riferimento per la comprensione del mondo microscopico.

Diapositiva 25

Commenting on Bohr’s defence of his PhD work, a local newspaper reported : “Dr. Bohr, a pale and modest young man, did not take much part in the proceedings, the short duration of which a record... The words Bohr had written and the questions he had raised were literally so new and unusual that no one was equipped to question them.”

Diapositiva 26

Niels Henrik David Bohr,. - Fisico danese (Copenaghen 1885 - ivi 1962). Dal 1916 prof. di fisica nell'univ. di Copenaghen, dal 1921 direttore dell'istituto di fisica teorica nella medesima università. Durante il secondo conflitto mondiale riparò negli USA dove contribuì al progetto Manhattan, ma non prese parte alla messa a punto della bomba atomica; poi fu attivissimo nella propaganda contro le armi nucleari. Con una celebre trilogia sulla costituzione dell'atomo (1913), in cui al modello atomico di Rutherford viene applicata la teoria dei quanti, B. ha posto le basi della moderna teoria dell'atomo (teoria dell'atomo di Bohr). Questa memoria ha costituito il punto di partenza di una serie numerosissima di lavori, di B. e dei suoi discepoli, che hanno dato una prima spiegazione di molti fenomeni della fisica atomica. La scuola di Copenaghen, che si costituì intorno a B. e della quale fecero parte alcuni dei maggiori fisici teorici del tempo impose la interpretazione probabilistica (interpretazione di Copenaghen) della meccanica quantistica formulata da M. Born, nonostante fosse avversata da E. Schrödinger e soprattutto da A. Einstein. Tra i contributi diretti di B., particolarmente da ricordare lo studio della disposizione dei varî gruppi elettronici nell'atomo [le configurazioni elettroniche] e, di conseguenza, la spiegazione di gran parte delle proprietà chimiche degli elementi e l'interpretazione del sistema periodico di Mendeleev; il principio di corrispondenza e il principio di complementarità. Nel 1922 ebbe il premio Nobel per la fisica, per la sua teoria della struttura atomica. (Testo dall'Enciclopedia Treccani)

In fisica il principio di corrispondenza afferma che i risultati della meccanica quantistica devono ridursi a quelli della meccanica classica nelle situazioni in cui l'interpretazione classica può essere considerata valida.

[Da leggere soltanto]

The term "correspondence principle" is used in a more general sense to mean the reduction of a new scientific theory to an earlier scientific theory in appropriate circumstances. This requires that the new theory explain all the phenomena under circumstances for which the preceding theory was known to be valid, the "correspondence limit".

For example, Einstein's special relativity satisfies the correspondence principle, because it reduces to classical mechanics in the limit of velocities small compared to the speed of light (example below). General relativity reduces to Newtonian gravity in the limit of weak gravitational fields. Laplace's theory of celestial mechanics reduces to Kepler's when interplanetary interactions are ignored, and Kepler's reproduces Ptolemy's equant in a coordinate system where the Earth is stationary. Statistical mechanics reproduces thermodynamics when the number of particles is large. In biology, chromosome inheritance theory reproduces Mendel's laws of inheritance, in the domain that the inherited factors are protein coding genes.

In order for there to be a correspondence, the earlier theory has to have a domain of validity—it must work under some conditions. Not all theories have a domain of validity. For example, there is no limit where Newton's mechanics reduces to Aristotle's mechanics because Aristotle's mechanics, although academically viable for 18 centuries, do not have any domain of validity.

In fisica, il principio di complementarità descrive quella particolare caratteristica per cui il duplice aspetto, corpuscolare e ondulatorio, dei fenomeni che avvengono a livello atomico e subatomico non può mai essere osservato contemporaneamente durante lo stesso esperimento. Fu enunciato da Niels Bohr nel Congresso internazionale dei Fisici del 1927 (tenutosi a Como in occasione del centenario della morte di Alessandro Volta), per conciliare il dualismo onda corpuscolo delle particelle elementari osservato nella meccanica quantistica.

 

 Da sinistra a destra: Fermi, Heisenberg e Pauli

Lago di Como, 1927

Diapositiva 27-28

I calcoli di Bohr portavano ad un valore estremamente preciso della costante di Rydberg. Il forte supporto sperimentale convalidava la scelte teoriche del tutto arbitrarie del giovane fisico danese (vedi anche http://it.wikipedia.org/wiki/Modello_atomico_di_Bohr).

Sulla serie di Balmer e la costante di Rydberg si veda: http://it.wikipedia.org/wiki/Serie_di_Balmer

Malgrado le evidenti difficoltà epistemologiche l'interpretazione teorica degli spettri atomici proposta da Bohr avviava a soluzione un problema per certi aspetti angosciante: da più di mezzo secolo l'osservazione delle righe spettrali degli atomi aveva favorito grandi progressi, in chimica e in astrofisica, ma l'origine delle righe era rimasta inspiegabile.

Diapositiva 29

Max Born - Fisico tedesco (Breslavia 1882 - Gottinga 1970); prof. di fisica teorica a Berlino (1915-19) e poi a Francoforte s. M., dal 1921 fu direttore dell'Istituto di fisica teorica di Gottinga; dal 1933 in Inghilterra, dal 1936 fu professore di fisica teorica alla università di Edimburgo. Premio Nobel per la fisica nel 1954, per le sue ricerche sulla meccanica quantistica e specialmente per la sua interpretazione probabilistica della funzione d'onda. Per l'originalità degli indirizzi instaurati, B. si può considerare un caposcuola. Con i suoi studî sulla dinamica dei reticoli cristallini portò contributi essenziali alla teoria dei calori specifici (1912), delle forze di coesione dei solidi (1919), dell'attività ottica naturale dei liquidi (1915), della piro e della piezoelettricità (1922), ecc. Particolarmente importanti i contributi portati alla nuova meccanica quantistica, che sorse appunto, come meccanica delle matrici, a Gottinga nel circolo scientifico creatosi intorno a Born.

Diapositiva 30  Nessun commento

Diapositiva 31

Si noti che l'enunciazione del principio di esclusione precede lo sviluppo della meccanica quantistica.

Diapositiva 32

Si ricordi che il principio di indeterminazione interviene nell'interpretazione delle misure quando le variabili coniugate  (posizione e quantità di moto, energia e tempo) hanno valori riferiti al mondo microscopico. Infatti parliamo tuttora di 'traiettoria di un proiettile, di cui possiamo calcolare l'andamento con una 'precisione macroscopica'. Nel mondo macroscopico in cui viviamo il principio di indeterminazione non ha alcuna influenza sulla determinazione (la finalità volontaria) delle azioni umane.

Diapositiva 33

Dreimännerarbeit: "il lavoro dei tre uomini" così fu chiamato l'articolo di Born, M., Heisenberg, W., and Jordan, P. (1926). "Zur Quantenmechanik II". Zeitschrift für Physik 35: 557-615.

Queste sono le conclusioni (tradotte in inglese) dell'articolo:

Diapositiva 34 Nessun commento

Diapositiva 35 Nessun commento

Diapositive 36-37

Il tentativo di Dirac di ridurre la chimica alla fisica (a partire dai primi principi) si infrange di fronte al fatto che non esistono operatori quantistici (come esistono per il momento lineare e per il momento angolare) che rendano la struttura molecolare una osservabile. Si leggano con attenzione i seguenti passi:

"since the operators representing interparticle separations do not commute with the Coulomb Hamiltonian, internuclear distances (‘bond lengths’) cannot be measured exactly for stationary states of the molecule".

"the stationary states of H [l'operatore hamitoniano] do not correspond to a classical molecule with structure. That observation begs the question: given that molecules are collections of electrons and nuclei described by the Coulomb Hamiltonian, what are the equations that determine the quantum states of molecules of interest in chemistry? Beyond the Born-Oppenheimer approximation we have no idea"

Fonte: B.T. Sutcliffe, R. Guy Woolley, "Comment on ‘Molecular structure in non-Born–Oppenheimer quantum mechanics’", Chemical Physics Letters, Volume 408, Issues 4–6, 17 June 2005,  Pages 445–447

La irriducibilità della chimica alla fisica non è quindi una semplice questione di calcolo, come sosteneva Dirac.

Diapositiva tratta da: scienze-como.uninsubria.it/morosi/presentCF/SCHRO.ppt

Diapositiva 38

Linus Carl Pauling - Chimico statunitense (Portland, Oregon, 1901 - Big Sur, California, 1994). Laureatosi e specializzatosi fra il 1922 e il 1925 al California institute of technology di Pasadena, nei due anni successivi lavorò in Europa con i più rappresentativi fisici dell'epoca, in particolare con A. J. Sommerfeld a Monaco di Baviera ma anche con N. Bohr a Copenaghen, E. Schrödinger a Zurigo e con W. H. Bragg a Londra. Nel 1931 ebbe la cattedra al California institute of technology, e dal 1936 al 1958 diresse la divisione di chimica e di ingegneria chimica e i laboratori di questa università. Durante la seconda guerra mondiale fu membro della divisione esplosivi della commissione di ricerca per la difesa nazionale.

L'attività di ricerca di P. è sempre stata caratterizzata da una stretta integrazione tra considerazioni teoriche e dati sperimentali; gran parte dei suoi studi sono stati dedicati a stabilire le configurazioni spaziali delle molecole e la loro influenza sulle interazioni inter- e intramolecolari. Fu tra i primi ad applicare i metodi della meccanica quantistica allo studio della struttura elettronica delle molecole e utilizzò diverse tecniche sperimentali per valutare le distanze e gli angoli di legame. In campo teorico introdusse il concetto di orbitali ibridi per spiegare l'equivalenza delle quattro valenze del carbonio e le caratteristiche dei legami in altre molecole per le quali si aveva un'uguaglianza nei parametri di legame. Introdusse il concetto di carattere ionico parziale di un legame covalente come conseguenza di una non perfetta condivisione della coppia di elettroni tra due atomi legati.

Nel 1931, per spiegare l'uguaglianza dei legami tra i sei atomi di carbonio del benzene, descrisse questa molecola tramite uno stato ibrido risultante dalla risonanza delle due strutture proposte da A. Kekulé nel 1872 e delle tre strutture caratterizzate dal legame trasversale tra atomi posti a vertici opposti dell'esagono. I calcoli davano una distanza C-C intermedia tra quella di un legame semplice e quella di un legame doppio e i dati sperimentali, ottenuti analizzando la diffrazione dei raggi X da parte del benzene, confermarono questo risultato.

Nel 1932 sviluppò un metodo per misurare la elettronegatività degli atomi confrontando i dati sperimentali delle energie di legame tra varie coppie di atomi con quelli calcolati nell'ipotesi di una perfetta condivisione della coppia di elettroni.

 A partire dal 1934 cominciò ad applicare le sue conoscenze sulla struttura delle molecole allo studio del comportamento di specie molto complesse come le proteine. Nel decennio 1930-40 P., insieme a R. Corey, determinò tramite raggi X la conformazione tridimensionale di vari amminoacidi e dipeptidi, stabilendo la struttura e le proprietà chimiche del legame peptidico, studi che lo portarono, nel 1950, alla definizione della struttura secondaria delle proteine, da lui distinta in elicoidale e a foglietto ripiegato (o β-struttura). Queste ricerche gli valsero il premio Nobel per la chimica nel 1954.

Nel 1939 pubblicò The nature of the chemical bond, and the structure of molecules and crystals, la pubblicazione scientifica più citata nel decennio 1945-54. Nel 1940 sviluppò (insieme a M. Delbrück) l'idea di una complementarità a livello molecolare come spiegazione delle relazioni antigene-anticorpo.

 Nel 1949 scoprì che l'emoglobina di una persona affetta da anemia falciforme aveva una carica differente, e quindi una differente composizione in amminoacidi, di quella dell'emoglobina di una persona normale, riconoscendo così il carattere genetico di questa malattia.

Nel 1958 scrisse un libro contro la guerra (No more war!) e presentò all'ONU una petizione per il bando degli esperimenti nucleari firmata da oltre undicimila scienziati. In seguito si impegnò a fondo per il controllo delle armi nucleari e per il bando degli esperimenti; per tali motivi gli fu conferito nel 1962 il premio Nobel per la pace.

(Testo di Eugenio Torracca per l'Enciclopedia Treccani)