venerdì 3 marzo 2017

Meccanica Quantistica: Cos'è l'effetto Stark - Lo Surdo

Come visto in un post precedente, le lampade a fluorescenza emettono luce diseccitando gli elettroni del gas che contengono. Con una scarica elettrica questi passano ad un livello a energia più elevata: quando tornano allo stato fondamentale emettono luce con una lunghezza d’onda corrispondente alla differenza di energia tra i livelli atomici.  Ciascun elemento atomico ha un suo spettro di righe di emissione (e assorbimento), fisse e immutabili, definite dalla struttura atomica e dalle leggi della meccanica quantistica, che stabiliscono l’energia del fotone emesso nella transizione tra i due orbitali.
È possibile però alterare questi orbitali e modificarne l’energia corrispondente. Ponendo un  atomo in un campo elettrico, gli elettroni e, dotati di carica negativa, risentiranno della forza elettrostatica di Coulomb, passando in media più tempo nella regione a potenziale più alto e meno a quella a potenziale più basso. Gli orbitali atomici risultano distorti e la loro energia modificata  a seconda dell’orientazione del campo elettrico e della loro forma originale.

Ad esempio un orbitale sferico (s, quello a più bassa energia nel livello) risulterà allungato nella direzione del campo elettrico. Gli orbitali superiori (p), hanno la forma di tre birilli ciascuno parallelo ad uno degli assi cartesiani: quello orientato come il campo elettrico sarà quello maggiormente distorto e con uno spostamento maggiore di energia.
Perciò –ad esempio – nella transizione tra i livelli p, quella che era una riga spettrale unica, ossia luce di un solo colore, viene quindi divisa in varie righe a frequenza  diversa. Maggiore l’intensità del campo elettrico e maggiore sarà la separazione delle righe spettrali.
Questo è l’effetto Stark scoperto dal fisico tedesco nel 1913 e indipendentemente dall’italiano Lo Surdo. I due fisici osservarono il fenomeno in presenza di campo elettrico, contraddicendo le stime teoriche che supponevano un effetto molto più basso. Per la sua scoperta, Stark  vinse il premio Nobel nel 1919  (Lo Surdo no).
Al centro della macchia solare (scura), foto di sinistra il campo magnetico è più intenso. La linea del Ferro al centro dell’immagine di destra si divide in tre parti per l’effetto Zeeman. Foto delle 15:30 UT del 4 luglio 1974. La linea del ferro a  5250.2 Angstrom,  indica un campo magnetico di 4130 Gauss (0.4 Tesla, 10.000 volte più intenso di quello terrestre).  Credit: NSO/AURA/NSF



Un fenomeno analogo è l’effetto Zeeman, dovuto alla presenza del campo magnetico. Anche in questo caso le linee di emissione o assorbimento della luce vengono divise a seconda della forma degli orbitali atomici.  
Questi due fenomeni possono essere utilizzati al contrario: misurando le linee di emissione è possibile risalire all’intensità e alla disposizione del campo in una regione di spazio. Ad esempio in osservazioni astronomiche l’effetto Zeeman fornisce informazioni preziosissime sulla intensità e disposizione del campo magnetico sulla superficie del sole, delle stelle o anche in prossimità di buchi neri.
L’effetto Zeeman fu osservato per la prima volta dall’olandese Pieter Zeeman nel 1896.
Forte del suo premio Nobel, nel 1924 Stark iniziò a sostenere le idee di Hitler e diventò  uno dei maggiori sostenitori della fisica ‘tedesco-ariana’ in campo accademico. Pur di acquisire potere, fece di tutto per screditare le teorie quantistiche di Einstein e Heisenberg (che –tra l’altro - né lui né Lenard, altro nazi-nobel comprendevano perché la matematica era troppo complessa per loro). La più eclatante di tutte è la denuncia apparsa anonimamente, nell’organo di stampa ufficiale delle SS Das Schwarte Korps in cui diceva attaccava Heisenberg definendolo ‘un ebreo bianco’ per impedire  che gli fosse assegnata una cattedra a Monaco .  La fisica vera, nel frattempo , poco si interessava di politica per cui il progresso scientifico fu fortemente rallentato dalla pseudoscienze  esoteriche  naziste. Dopo la guerra Stark fu condannato a 4 anni di reclusione, poi condonati, per aver preso parte ad attività naziste. Morì nel 1957.