La meccanica quantistica (o teoria dei quanti) è una teoria fisica che descrive il comportamento di atomi, molecole, elettroni, nuclei, ecc., cioè il comportamento della materia nel mondo microscopico. È una teoria molto complicata da capire non solo per gli studenti ma anche per i docenti.

Possiamo cercare di farlo, dunque, attraverso tre facili esperimenti che ci ha proposto Vincenzo Palleschi, primo ricercatore del Cnr e docente di chimica analitica all'Università di Pisa. Nella sua proposta "didattica" ha privilegiato gli aspetti meccanici quantistici. Ecco gli esperimenti, i materiali costano pochi euro. Proviamo a farli!

Che cos'è la meccanica quantistica?

Esperimento 1: costruzione di uno spettrometro ‘a scatola da scarpe’ 

Lo spettrometro è uno strumento che scompone la luce nelle sue componenti in lunghezza d’onda. Con uno spettrometro si possono fare numerosi esperimenti che evidenziano la natura della radiazione elettromagnetica, vedendo in pratica gli effetti quantistici che determinano la fisica sulle dimensioni degli atomi e delle molecole. È possibile, per esempio, osservare la differenza tra la radiazione continua emessa da una sorgente ‘termica’, come una vecchia lampadina a incandescenza, o la radiazione solare, e le sorgenti quantistiche come laser e LED (Light Emitting Diode). Tutti i dettagli dell'esperimento.

Esperimento 2: spettro di una scarica elettrica

Il secondo esperimento proposto è stato fondamentale per lo sviluppo della meccanica quantistica: Albert Einstein ha vinto il Premio Nobel proprio per la scoperta dell'effetto fotoelettrico. Ebbene, anche questo esperimento fondamentale si può replicare tranquillamente con pochi euro. Tutti i dettagli dell'esperimento.

Esperimento 3: verifica dell’equivalenza tra energia e frequenza di un’onda elettromagnetica

Il terzo esperimento è andare a vedere lo spettro di una scintilla. Possiamo utilizzare l'accendigas piezoelettrico oppure dei piccoli circuiti che emettono scintille. Vedere lo spettro di un'emissione luminosa apparentemente continua che è composta invece di righe è la dimostrazione più evidente che l'atomo ha dei livelli energetici discreti. È secondo me molto più chiaro e illuminante di tutti i modelli atomici che normalmente mostriamo. Tutti i dettagli dell'esperimento.

Perché la meccanica quantistica è così complicata?

La meccanica quantistica è considerata difficile perché va contro il senso comune. “Ma questa è anche la sua bellezza - dice il ricercatore del Cnr Palleschi-. Innanzitutto bisogna capire che un'esperienza fatta sulla nostra scala, diciamo sulla scala del metro, del grammo e così via... è descritta dalla fisica classica che rappresenta il mondo che vediamo. Dopodiché abbiamo incominciato a vedere di più, non con i nostri occhi ma con gli strumenti".

"La cosa importante è capire che il comportamento della materia nel mondo non è soltanto il prodotto di un ragionamento intellettuale ma si vede nella realtà. La meccanica quantistica è nata proprio dallo scontro profondo tra quello che prevedeva la fisica classica e quello che effettivamente si vedeva negli esperimenti”.