La meccanica quantistica

3. Esperimenti delle due fenditure per fotoni ed elettroni

di Davide Meloni

A questo punto ci si trova di fronte ad un dilemma: abbiamo parlato di luce come onda elettromagnetica ma anche di quanto di luce, come sorta di particella che porta la sua ben definita energia. La domanda più ovvia è quindi: quale è la vera natura della luce? Tutt'ora il quesito resta senza una risposta chiara. C'è stato un periodo, pero', in cui la formulazione ondulatoria sembrava aver preso maggiormente piede grazie ad una serie di esperimenti condotti nel 1801 da Thomas Young e che vanno sotto il nome di esperimenti della doppia fenditura. Si trattava di inviare dei fasci luminosi attraverso una lastra su cui erano stati praticati dei fori di larghezza comparabile alla lunghezza d'onda della luce in esame e di osservarne l'intensità su uno schermo, Fig.4.

 

Esperimento della doppia fenditura

 Fig. 4: Esperimento della doppia fenditura

 

Distribuzione degli elettroni nel caso classico. La
dicitura “classico” sta ad indicare cosa ci si aspetterebbe
da una particella e non cosa si e' realmente osservato.

Fig.5: Distribuzione degli elettroni nel caso classico. La dicitura “classico” sta ad indicare cosa ci si aspetterebbe da una particella e non cosa si è realmente osservato. Modificata da http://www.larapedia.com.

Nel caso della teoria corpuscolare ci si aspetta che ogni singolo fotone passi attraverso una sola fenditura e, dopo che un numero elevato di fotoni è stato inviato sullo schermo, si dovrebbero osservare due zone molto luminose in corrispondenza della posizione delle due fenditure e null'altro. Quello che è stato rivelato, in realtà, è un comportamento completamente differente, con varie zone di ombra (indicate con D in Fig.4) e luce (M) sullo schermo; un tale comportamento, noto con il termine di interferenza luminosa, è facilmente spiegabile con la teoria ondulatoria della luce, in base alla quale le onde “uscenti” dalle fenditure interferiscono nello spazio al punto che, in alcune zone la luce complessiva “si somma” (ed allora vediamo le frange luminose sullo schermo) mentre in altre “si sottrae”, (ed allora siamo in presenza di zone di ombra). Ricordiamo che quanto esposto, in realtà, non mostra in modo assoluto che la luce sia una onda perchè, come già spiegato in precedenza, ci sono esperimenti nei quali la descrizione del fenomeno in esame è resa estremamente più semplice se si lavora con l'assunzione di natura corpuscolare della luce. Pertanto, cosa sia veramente la luce (e più in generale la radiazione elettromagnetica) è un quesito senza risposta: a volte ci conviene adottare una descrizione ondulatoria per essa, a volte corpuscolare.

 

La cosa che certamente è ancora più difficile da accettare è che anche le altre particelle, quegli oggetti cioè che senza ombra di dubbio associamo nella nostra mente a piccole sferette che viaggiano intorno a noi, presentano dei comportamenti ambigui al pari dei fotoni. Prendiamo il consueto elettrone e ripetiamo l'esperimento della doppia fenditura; ci aspetteremmo che, avendo a che fare con particelle, la distribuzione dei punti di arrivo degli elettroni sullo schermo sia semplicemente la “somma” di quanto si otterrebbe per una singola fenditura, come riportato in Fig.5. In pratica, gli elettroni dovrebbero distribuirsi prevalentemente dietro la fenditura da cui sono passati (distribuzione un po' allargata per via di possibili deviazioni causate dai bordi della fenditura al moto delle particelle) e, nel considerare entrambe le fenditure, si dovrebbe ottenere quanto suggerito poco sopra. Invece la figura ottenuta sullo schermo presenta esattamente le stesse caratteristiche riportate per i fotoni in Fig.4, con zone di addensamento e di bassa popolazione elettronica. Anche per altre particelle, come nel caso del neutrone, si è trovata una figura di interferenza simile.

 

 

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