Attraversare una barriera energetica, andando contro le leggi della meccanica classica. J. Robert Oppenheimer contribuì, grazie agli studi sul passaggio attraverso la barriera di potenziale del nucleo, alla definizione della Teoria Quantistica dell’elettrone

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Julius Robert Oppenheimer nasce il 22 aprile 1904. La sua popolarità è legata soprattutto al suo ruolo di direttore del Progetto Manhattan, che diede seguito alla costruzione della prima bomba atomica. Suo padre, Julius Seligmann Oppenheimer, era un ebreo tedesco emigrato negli Stati Uniti da Hanau nel 1888 e successivamente diventato un ricco importatore di tessuti. Sua madre, Ella Friedman, era un’americana di origine tedesca ed ebraica, esperta d’arte, formatasi a Parigi e con uno studio a New York. Anche il fratello minore Frank (1912-1985) era un fisico.

Oppenheimer frequentò la scuola della Società per la Cultura Etica di New York e, al terzo anno, iniziò a studiare privatamente con un docente di chimica. Si iscrisse ad Harvard nel 1922, passando alla fisica dopo il primo anno. Il suo mentore fu Percy Williams Bridgman, futuro premio Nobel per la fisica. J. Robert Oppenheimer continuò gli studi al Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge, diretto da Ernest Rutherford. Dopo essersi laureato ad Harvard nel 1925 con il massimo dei voti, intraprese un breve periodo di ricerca presso il laboratorio di Joseph Thomson, noto fisico sperimentale, a Cambridge. Successivamente continuò le sue ricerche in vari centri di fisica europei, tra cui quelli di Leida, Gottinga e Zurigo.

“The Quantum Theory of Continuous Spectra” e gli studi sugli spettri molecolari

Nel 1926 Oppenheimer scelse di proseguire gli studi presso l’Università Georg-August di Göttingen, in Germania. Nel dicembre dello stesso anno, presentò il suo articolo “The Quantum Theory of Continuous Spectra” alla rivista tedesca Zeitschrift für Physik. Tre mesi dopo gli fu conferito il dottorato e stabilì contatti con importanti fisici europei. Nel 1927-1928, Oppenheimer raggiunse la ribalta grazie alle sue ricerche per semplificare l’indagine sugli spettri molecolari. In collaborazione con Max Born scrisse un articolo sull’approssimazione adiabatica, nota anche come approssimazione di Born-Oppenheimer, che rappresentò un significativo progresso negli studi molecolari.

L’effetto tunnel e teoria quantistica dell’elettrone

Nel 1928 George Gamow scoprì l’effetto tunnel, che utilizzò per spiegare il decadimento alfa. In questo processo, una particella alfa (un nucleo di elio) viene emessa da un nucleo atomico perché riesce a passare attraverso la barriera di potenziale del nucleo, pur avendo un’energia cinetica inferiore a tale barriera. Nel 1928 Oppenheimer chiarì il modo in cui anche un debole campo elettrico poteva, attraverso un effetto tunnel, liberare gli elettroni dal nucleo originario (articolo nei Proceedings of the National Academy of Sciences del marzo 1928).

La legge di conservazione dell’energia: attraversare una barriera energetica

La legge di conservazione dell’energia, formulata nella meccanica classica, afferma che una particella non può attraversare una barriera energetica se non ha un’energia uguale o superiore. Ciò è coerente con il fatto intuitivo che, per far salire un corpo lungo un pendio, è necessario compiere un certo lavoro su di esso, cioè fornirgli energia sufficiente per completare l’ascesa.

La meccanica quantistica prevede che una particella abbia una probabilità non nulla di attraversare spontaneamente una barriera di energia potenziale arbitrariamente alta. Un esempio illustrativo è quello di un elettrone con un’energia cinetica fissa che, raggiungendo una zona sottile in cui dovrebbe essere respinto a causa dell’energia insufficiente, riesce a superare questo ostacolo in una piccola frazione di casi.

Tunneling e spazio interstellare: tra le prove dell’esistenza dell’effetto tunnel

Le prove sperimentali supportano l’esistenza dell’effetto tunnel, nonostante l’idea di una transizione di una particella a uno stato non consentito dalla meccanica classica sia controintuitivo e paradossale. Un esempio è il decadimento radioattivo per fissione spontanea. Anche il Sole e le stelle ne sono la prova, poiché le reazioni nucleari nei loro nuclei si basano sull’effetto tunneling a causa delle alte temperature coinvolte. In uno studio del 2013 pubblicato su Nature Chemistry, Robert J. Shannon dell’Università di Leeds ha dimostrato la formazione di molecole di alcol, come il radicale metossile (CH3O-) nello spazio interstellare, attraverso l’effetto tunnel. Questi risultati aiutano a spiegare la presenza di tali molecole nello spazio esterno.

Liberare gli elettroni dal proprio nucleo originario: il contributo di Oppenheimer

La questione della teoria quantistica dell’elettrone di Paul Dirac – sul finire degli anni ‘20 – fu oggetto di dibattito nel periodo in cui gli studi sull’effetto tunnel erano atti a ribaltare le tesi sul passaggio da uno stato all’altro di una particella. Oppenheimer partecipò al dibattito e offrì le proprie osservazioni sulla teoria di Dirac. Egli propose che le lacune positive non potevano essere protoni, ma piuttosto particelle con una massa pari a quella dell’elettrone. Questo fu un importante contributo nel campo della fisica delle particelle.

Author: Claudia Sistelli

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