From Planck’s Constant toQuantum Mechanics
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Matteo  Mascolo
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Don’t  be  afraid ...
... if you don’t understand QM ...
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Don’t  be  afraid ...
... you are in good company !
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“I think I can safely saythat nobody understandsquantum mechanics “
(R. P. FEYNMAN)
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Let’s  start  from  the  very beginning
Physics before Galileo Galiei (1622). According to Aristotele....
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A constant force produces a uniformmotion
The speed of a body invacuum is infinity
F = m v
AristotleTrajectory
Something  is  evidently  wrong
No  way  to  understand  it !!
Two easy observations can show the lacks of Aristotelian mechanics
It hardly explains how an arrow keeps onflying after being shot (Aristotele triedwith the theories of “natural places” andthe “horror vacui”)
aristotelian-arrow
1)
Trajectories can be easily disprovedthrough a simple experiment (throwing anarrow and looking its motion!!)
2)
bullets
Aristotelian  physics  is  WRONG!
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One  more  easy  thing ...
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SCIENTIFIC METHOD  (1622)
-  Observation of phenomenon
-  Hypothesis and prediction
-  Experiment
-  Write a law using the
  “language of mathematics
-  Falsifiability of the law
-  Prediction capabilities
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The  best  “EPIC FAIL”  ever ...
“ [It’s 1874] ... the task of physics is nearly completed. There are a few minor things leftto do: measure some quantities with higer precision and find a theoretical justificationfor the black body radiation ... ”
1643-1727
1831-1879
But ... we  knowk  what  came  after !
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Than  the  questions  are:
Is classical mechanics as wrong as Aristotelianmechanics?
How can classical mechanics, relativity, andquantum mechanics to reconcile?
Every theory has its own scope of validity, one hasto know its limits!
        For example, how is the atom made?
A  short  excursus ...
The ‘Plum Pudding model 
The ”The atoms […] consist of a number of negatively electrified corpusclesenclosed in a sphere of uniform positive electrification…”
[J.J. Thomson]
348px-Plum_pudding_atom
http://www.microwaverecipescookbook.com/wp-content/uploads/2010/12/plum-pudding.jpg
The  limits  of  Thomson  model
 The electron is the only charged particle having mass,  thus everyatom should contain a very huge number of particles
 It does not explain the different attitude of chemical elements toionize and combine together
 It does not explain absorption and emission lines of elements
 It does not explain the results coming from scattering experiments
3 out of 4 points solved by the Thomson’s pupil :  Prof. ‘Crocodile’
The  Geiger-Marsden  experiment(aka  the  Rutherford  experiment )
Scattering of a-particles (nuclei of Helium) on a thin foil of gold. Scattering effects wereevaluated ‘’by eye’’, working in the dark and assuming drugs that dilated the pupila
Thomson  vs  Rutherford
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THOMSON ATOM
RUTHERFORD ATOM
Rutherford  modeling  of  the atomù(Nobel Prize 1908)
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colosseo colosseum.jpg
Negatively-charged electrons orbit around apositively charged nucleus (no neutrons yet!)
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How  big  is  an  atom ??
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The total energy is the kinetic energy of the α-particle T plus the Coulomb-energy V dueto the repulsion between charges of the same sign. When the particle turns back T=V.
How  big  is  an  atom ??
Given the elementary charge e, the dielectric constant of vacuum ε0 and the kinetic energy T
At that time, the radius of the atom of gold was wellknown: 150’000 fm.  It is 3000 times larger!
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3000  times  larger  it’s  a  lot !!!
A  new  model  of  the  atom
[…] this scattering backward must be theresult of single collision, and when madecalculations saw that it was impossible toget anything of that order of magnitudeunless you took system in which thegreater part of the mass of the atom wasconcentrated in minute nucleus. It wasthen that had the idea of an atom with aminute massive center, carrying charge. 
[E. Rutherford]
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Manhandling_15_inch_howitzer_shell_NLS_74547392.jpg
It was quite the most incredibleevent that has ever happened to mein my life. It was almost as if youfired a 15-inch shell into a piece oftissue paper and it came back and hityou […]
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The  limits  of  the Rutherford  model
1.Electrons are charges in motion and they should lose energy byemitting radiation (Maxwell - Hertz 1888)
2.They should fall on the nucleus in 10-10 seconds
3.The puzzle of spectral lines is still unsolved !
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The  emission  of  radiation
 Every object at a given temperature emits energy in the form ofelectromagnetic radiation (the common “heat”)
 An object emits radiation at all the wavelengths (), but thedistribution of the emitted energy as a function of  changes withthe temperature (T).
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Some  emission  spectra
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The  “Black  Body”
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 A body is composed of many oscillating charges.Their oscillations increase if temperature T increases
 Oscillating charge emit radiation and slow down.
   That is how bodies cool down
 Body at equilibrium have emissivity equal to absorptione = a for every value of T and 
 Body at high temperature T absorb all the energy theyemit, so in this case: (at equilibrium) e = a = 1 .Such a body do not emit radiation and appears to be blackhence the name of  “black body”
Kirchhoff  and  the  black  body
Gustav_Robert_Kirchhoff
black body is a cavity (e.g. an oven) witha tiny hole, kept at a constant temperature.
The radiation entering the black body isreflected by the inner walls a hugenumber of times before getting out.
The  black  body  spectrum
648px-Wiens_law
maxT = constant
Wien’s law
tot  T4
Stefan (1879)
From spectra observation:
From theoretical calculation:
tot  T4
Boltzmann (1879)
All black bodies at the same temperature emit thermal radiation with thesame spectrum (regardless of shape, dimensions and material)
The  black  body  “puzzle”
The flux of the radiation within the cavity in every direction is zero, butthere is energy transfer everywhere
This transfer is given by the density of radiated energy in the wavelengthrange (+d) : d
The calculation of giving the shape of expected experimentalspectrum, was very difficult from th theoretical point of view
(First “empirical” forumla)
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First Attempt ... by Wien
The  black  body  “puzzle”
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Second Attempt ...
by Rayleigh-Jeans
Wien’s    does not work! It fits data at low  not at high . Constants C e C’ arecompletely arbitrary!
Model with stationary waves inside the cavity. The energy density is evaluated as thedensity of modes with mean kinetic energy kT
It does not work! It fits data only at high . Smaller is  greater is the number ofpossible stationary waves! But everything was calculated correctly…
The “ultraviolet catastrophe”
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 Wien: empirical formula, correct only for small values of 
 Rayleigh-Jeans: consistent formula, correct for big 
AND NOW?!?!
PLanck’s  lucky  solution
       Max Planck solves the puzzle of thespectrum of black body radiation. With anew empirical formula:
MaxPlanck1878
1858-1947
 What are the constants C and C’ !?
 It works for every value of 
Yeah but ... WHY?!?!
OCTOBER  1900
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The agreement with Rubens’ experimental data is striking.
Nevertheless Planck can’t find a physical explanation...
PLanck’s  lucky  solution
The  “desperate  act”
“[...] something which started innocuously as the color of lightfrom burning coal had developed into a phenomenon withmuch deeper  meaning.
After countless attempts based on classic approach, Planck makesa “desperate act”, denying the continuity of Nature laws.
It’s December 1900.
“A theoretical explanation must be found, no matter how farfrom the present knoledge”
[Max Planck]
Planck’s  idea ...
Oscillators of frequency f in the black body cavity canexchange only certain amounts of energy, multiple of afixed value, called quantum of energy depending uponthe frequency  :
h is the Planck’s constant, extracted from data : [h] = [J][s]  also called ‘’action’’ )
This idea allows to limit the high-frequency part of the spectrum and solves theultraviolet catastrophe:  the larger is the value of En, the more difficult is the exchangeof energy, because it would change the equilibrium status of the cavity!
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Getting  ready  for  calculation ...
The mean value of the energy of the oscillators (at fixed ) is:
The fraction of oscillator with energy in the range(E, E+dE) is:
Planck disagreed with atomic theories, and did not like statistical thermodynamics…
Nevertheless, Planck took his start from Boltzmann’s statistical approach, stating thatthe number of oscillators with energy between E and (E + dE) is given by
Planck’s  calculation  (1/3)
In the continuum hypothesis (pre-Planck) thus:
Multiplying this mean energy (of the oscillators at a fixed frequency) by the number of‘’modes’’ (i.e. the number of possible frequencies), one obtains Rayleigh-Jeans formula!
In Planck’s discrete hypothesis:
 N1 particles with energy  hf   :
 N2 particles with energy  2hf :
 N3 particles with energy  3hf :
 Etc …
Planck’s  calculation  (1/3)
Let’s call:
and let’s stop at 3rd term
but:
LOOKS
FAMILIAR ??!
The  Planck’s  formula
Try to figure out Planck’s face when he saw exactly his “lucky formula”, comingout from calculation without any mathematical trick (constants included) !!
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The  Planck’s  formula
Reminder (if x is small):
Low f (big )
High f (small )
Wien
RJ
Planck’s formula reproduces the black body spectrum in the whole f range …
The  Planck’s  constant
h is a fundamental constant, playing a fundamental role in the quantum theory
(when divided by 2, it is referred to as h-bar)
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 (When multiplied by the frequency) it defines the ‘quantumof energy’ (the minimum quantity of energy which can beexchanged)
  Represents the connection between the wavelength andmomentum of particles (wave-particle duality!)
 It defines the scale at which the natural phenomena become“quantistic” (and classical behavior disappears)
What  does  it  mean ???
There is no way for classical physics to explain the black bodyspectrum;
Not all values of energy can be exchanged. Energy levels arediscrete or quantized;
Quantum theory is born. Other weird behaviors of Nature can beexplained in the light of quantum mechanics (see in a while…)!
“I tried for many years to save physics from
discontinuous energy levels…”
[Max Planck]
How  can  it  be  like  that ?!?!
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“ Nobody knows how itcan be like that !! “
(R. P. FEYNMAN)
The  skepticism  and  the  genius
No one is able to accept the quantum hypothesis (not even Planck himself!!),except one (really outstanding) man, who immediately understood the powerof the theory, absorbing and developing it in only 5 years !!!
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The  quantum mechanics  was  born...
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The  evolution  of  quantum mechanics
1900
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1905
1913
1922
1924
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1925
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1926
1928
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1965
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That’s  it  for  the  moment ....