Planck, Max
Planck, Max
Il fisico che ha fondato la teoria dei quanti
Nel 1900 il fisico tedesco Max Planck risolse il problema del corpo nero, uno dei più controversi nella storia della fisica. La legge del corpo nero di Planck venne formulata interamente sui dati sperimentali e interpretata a livello teorico con l’ipotesi dei quanti di energia. Questa ipotesi, inconcepibile nella fisica classica, segnò l’inizio della rivoluzione quantistica
Il problema del corpo nero
Alla fine dell’Ottocento, uno dei problemi più difficili da affrontare sul piano sia applicativo sia teorico riguardava l’illuminazione artificiale. Le lampadine a filo incandescente di Edison, da poco inventate, potevano per esempio andare bene. Ma per decidere quale fosse il sistema migliore di illuminazione, bisognava sapere confrontare diverse sorgenti luminose e sapere come si comporta la radiazione elettromagnetica (luce) anche nell’infrarosso, la parte dello spettro meno conosciuta in quegli anni. In questa ricerca si impegnarono il Politecnico di Berlino e un nuovo istituto di ricerca, il Physikalische-Technische Reichsanstalt (PTR), fondato espressamente per studiare il problema.
Il fisico Gustav Kirchhoff aveva stabilito che la radiazione emessa da una cavità, mantenuta a una temperatura uniforme – cioè da una sorgente di radiazione che comunica con l’esterno tramite un piccolo foro – non dipende dalla forma né dalle dimensioni della cavità né dal suo materiale. La cavità, inoltre, non solo emette radiazione, ma l’assorbe e Kirchhoff chiamò corpo nero un oggetto (ideale) che, come la cavità, assorbe perfettamente tutta la radiazione che lo investe. Lo studio della radiazione di corpo nero è un punto di partenza per spiegare anche la radiazione emessa dal Sole e dalle sorgenti artificiali; tuttavia il suo andamento risultava del tutto incomprensibile in fisica classica: la sfida raccolta dagli scienziati dell’epoca fu quella di trovare la giusta dipendenza della legge per una data temperatura (termodinamica).
La legge del corpo nero
Nel 1893, il fisico Wilhelm Wien aveva provato a formulare una prima legge teorica del fenomeno. Contemporaneamente, per chiarire l’andamento sperimentale dei fenomeni di assorbimento, vennero inventate nuove tecniche di misura e realizzati al PTR i primi corpi neri, costituiti da un tubo di porcellana aperto a una estremità e chiuso all’altra da uno speciale termometro. Nuovi dati sperimentali vennero così raccolti nelle varie regioni dello spettro di radiazione e si osservò che la legge di Wien nell’infrarosso non funzionava. Altre leggi vennero proposte, ma anche queste erano in accordo con i dati sperimentali solo in certe regioni dello spettro elettromagnetico.
A questo punto della vicenda il contributo di Max Planck, nato a Kiel nel 1858, fu decisivo. Planck aveva studiato a Monaco dove si era laureato in fisica nel 1879. Nel 1889 era stato nominato professore di fisica teorica all’Università di Berlino, il centro più importante della Germania imperiale, dove divenne il massimo esperto mondiale di termodinamica.
L’ipotesi dei quanti di energia
Sulla base dei nuovi dati sperimentali raccolti al ptr, Planck il 14 dicembre 1900 propose una formula che mostrava finalmente il corretto andamento della legge del corpo nero su tutto lo spettro di frequenze. In verità, la sua formula era empirica e per poterla giustificare Planck fu costretto a fare un’ipotesi che rivoluzionava alle radici il concetto di radiazione.
Secondo la fisica classica, la radiazione elettromagnetica è fatta di onde distribuite con continuità nello spazio, un modello che aveva funzionato (e funziona) egregiamente a livello macroscopico. Planck, invece, affermò che la radiazione è costituita da unità elementari discrete, di energia E proporzionale alla frequenza n di radiazione e a h, una costante universale oggi nota come costante di Planck (E =h ν). All’inizio, questa assunzione fu considerata dal suo ideatore, che inizialmente non si rese conto della portata rivoluzionaria della sua ipotesi, un puro artificio matematico. E con lui dalla maggior parte degli scienziati. L’idea dei quanti di energia era difficile da accettare ma qualche anno dopo fu ripresa da Albert Einstein e da Niels Bohr per spiegare con successo molti problemi fino allora irrisolti in fisica classica. A Planck fu così assegnato il premio Nobel per la Fisica, anche se solo nel 1919. Morì nel 1947.