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| (Immagine ripresa da Wikipedia) |
Misurare il tempo
Cari ragazzi è facile misurare il tempo? Pensateci... Cosa serve? Serve qualcosa che "faccia click" ad intervalli regolari, non sia facilmente
disturbato e funzioni sempre e ovunque allo stesso modo. Potremmo usare un pendolo! Il tempo che impiega per completare un'oscillazione completa
dipende dalla lunghezza del pendolo e dall'accelerazione di gravità. Infatti, il periodo del pendolo è
T ≈ 2π √(L/g), dove L è
la lunghezza del pendolo e g è l'accelerazione di gravità. Ci sono, però, alcuni problemi. La lunghezza del pendolo può variare
nel tempo e la g non è costante su tutta la superficie della Terra. Gli orologi a pendolo non sono quindi accurati!
I fisici hanno dunque pensato ai cristalli di quarzo, i quali vibrano come diapason usando l'elettricità. La frequenza della loro vibrazione
è più affidabile di quella dei pendoli. Tuttavia, non ci sono due cristalli di quarzo esattamente uguali e, inoltre, sono sensibili alle variazioni
di temperatura. Conclusione, anche gli orologi al quarzo non sono sufficientemente precisi per applicazioni scientifiche. E allora?
Gli scienziati hanno scoperto che sono
gli atomi i migliori misuratori di tempo perché si comportano esattamente allo stesso modo, sempre e ovunque.
Ecco quindi che è stato costruito un orologio atomico. Per funzionare, però, gli orologi atomici devono essere
mantenuti ad una temperatura bassissima, il più vicino possibile allo zero assoluto. Nel 1997 il premio Nobel per la fisica è stato assegnato a
Bill Phillips
proprio per il suo lavoro sul raffreddamento degli atomi usati negli orologi atomici.
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| (Immagine ripresa da Wikipedia) |
Nell'intervista che potete vedere al link sottostante Bill Phillips spiega il suo lavoro in maniera semplice. Gli elettroni si muovono intorno all'atomo in determinati
livelli energetici. Ogni atomo dello stesso tipo ha gli stessi specifici livelli energetici, separati l'uno dall'altro da un particolare salto energetico.
Per passare da un livello all'altro gli elettroni assorbono o emettono una radiazione di una specifica frequenza, cioè di una specifica energia, che gli
scienziati conoscono bene. Questo è noto dall'inizio del secolo scorso ed è uno dei fenomeni spiegati dalla meccanica quantistica. Quando un elettrone
perde energia si avvicina al nucleo, quando guadagna energia va a finire in un livello energetico più lontano dal nucleo. L'elettrone può guadagnare o
perdere energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Se, allora, un elettrone passa da un livello energetico più lontano dal nucleo a
uno più vicino viene
emessa una radiazione elettromagnetica la cui frequenza può essere misurata. Invece che usare le oscillazioni del pendolo o di un cristallo
di quarzo, i fisici hanno pensato di usare questa frequenza degli elettroni che cambiano livello energetico per definire il secondo, l'unità di misura
del tempo.
È stato scelto l'atomo di cesio e il secondo è stato definito come segue:
"La durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo del cesio 133".
Cosa?
Un atomo di cesio viene bombardato con una radiazione della giusta frequenza (energia) per far sì che gli elettroni cambino il loro livello energetico.
Questo cambiamento avviene solo se l'energia fornita è di una particolare frequenza, giusta giusta per fare il salto da un livello all'altro.
Si può misurare il numero degli elettroni che cambiano livello energetico e stabilire la frequenza di questi "salti quantici". Con questa frequenza si definisce il secondo e
si costruisce l'orologio atomico. Facile, no?
| (Nobel laureate Bill Phillips) |
No, non è facile per niente! Avete studiato che la temperatura è legata all'agitazione termica delle molecole e degli atomi di una sostanza.
Maggiore è la temperatura e maggiore è il movimento delle molecole e degli atomi. Misurare le caratteristiche di atomi che si muovono velocemente
non è facile. Per questo motivo Bill Phillips ha pensato di raffreddare gli atomi in maniera tale da rallentare il loro movimento. La temperatura alla
quale il movimento degli atomi si riduce al minimo si chiama zero assoluto e corrisponde a zero gradi Kelvin o -273,15 gradi Celsius.
Un orologio atomico dovrebbe essere raffreddato fino ad arrivare allo zero assoluto per essere il più preciso possibile. Ma come si fa a
raffreddare gli atomi a questo livello?
I fisici hanno ideato un sistema che si chiama raffreddamento laser e Bill Phillips lo ha perfezionato per raffreddare gli atomi di cesio. Gli atomi sono
illuminati con un fascio laser che, invece di scaldarli, li raffredda perché i fotoni ("particelle di luce") rimbalzano sugli atomi stessi acquistando
energia e rallentandoli. Si ottiene così un orologio che ritarda di un secondo ogni 300 milioni di anni!
Perché serve questa precisione? Questi orologi sono utili, per esempio, per un buon funzionamento del GPS (Global Positioning System), ma anche
per provare teorie come la relatività generale di Einstein, o misurare le costanti fisiche fondamentali e verificare se sono veramente costanti... Cose
da grandi, ma questa è La Scienza!
Referenze
Marianne Freiberger (2018) Dodging Doppler: Atomic clocks and laser cooling, +Plus Magazine
Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)