Calcolatore Lunghezza d Onda di de Broglie (Lambda = h/p)
Calcolatore lunghezza d onda di de Broglie lambda = h/p: da momento, massa-velocità, energia cinetica, voltaggio elettrone, lambda termica statistica.
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Lunghezza d onda di de Broglie
Louis de Broglie (1924, tesi di dottorato): postula che ogni particella di momento p ha associata un onda di materia con lunghezza d onda:
lambda = h / p
dove h = 6.62607015 * 10^-34 J s (costante di Planck). La relazione e simmetrica a quella del fotone (E = hf, lambda = h/p), ma applicata anche a particelle massive (elettroni, atomi, molecole). Premio Nobel per la fisica 1929.
Esempio numerico: elettrone
Elettrone con energia cinetica T = 100 eV (massa m_e = 9.109 * 10^-31 kg):
- p = sqrt(2 m_e T) = sqrt(2 * 9.109e-31 * 1.602e-17) = 5.40 * 10^-24 kg m/s.
- lambda = h / p = 6.626e-34 / 5.40e-24 = 1.23 * 10^-10 m = 1.23 A = 0.123 nm.
- Confronto: dimensione atomo idrogeno (Bohr) = 0.0529 nm. lambda di poco superiore: scala atomica.
Formula pratica per elettrone non relativistico: lambda(pm) = 1226.4 / sqrt(V) con V in volt. Per V = 100 V: lambda = 122.64 pm = 0.123 nm. Per V = 50 keV (microscopio TEM): lambda = 5.5 pm.
Forma relativistica
Per particelle relativistiche (v vicino a c): p = gamma m v dove gamma = 1/sqrt(1 - v^2/c^2). Equivalente:
lambda = h c / sqrt(T (T + 2 m c^2))
dove T = energia cinetica. Per T <> m c^2 (ultra-relativistico): lambda = hc/T (come fotone). Per elettrone (m c^2 = 511 keV): correzione relativistica > 1% per V > 5 keV. Per V = 100 keV: errore non rel 5%.
Lunghezze d onda di varie particelle
| Particella | Velocità | Lambda |
|---|---|---|
| Elettrone 1 eV | 5.9 * 10^5 m/s | 1.23 nm |
| Elettrone 100 eV | 5.9 * 10^6 m/s | 0.123 nm |
| Elettrone 100 keV | 0.55 c | 3.7 pm |
| Protone 1 keV | 4.4 * 10^5 m/s | 0.91 pm |
| Neutrone termico | 2200 m/s | 180 pm |
| Atomo H termico (300 K) | 2700 m/s | 1 nm |
| Atomo Cs termico | 240 m/s | 10 pm |
| Pallone calcio (1 kg, 1 m/s) | 1 m/s | 10^-34 m |
Oggetti macroscopici: lambda inimmaginabilmente piccola (10^-34 m), no effetti quantistici osservabili. Sotto la scala di Planck.
Conferma sperimentale: Davisson-Germer 1927
Davisson e Germer (Bell Labs, 1927): elettroni di 54 eV diffratti da cristallo di nichel mostrano picchi a 50 gradi, predetti da lambda di de Broglie e legge di Bragg. Test cruciale, conferma definitivamente dualismo onda-particella per la materia. Nobel 1937 a Davisson (insieme a Thomson). Indipendentemente George Paget Thomson (1927) con elettroni alta energia su lamine sottili. Stern (1929): atomi di elio diffratti da cristallo di NaCl. Estimer (1991): gli atomi anche in trappole magneto-ottiche.
Lunghezza d onda termica
Particelle in equilibrio termico a temperatura T (Maxwell-Boltzmann):
lambda_termica = h / sqrt(2 pi m k_B T)
dove k_B = 1.381 * 10^-23 J/K (costante Boltzmann). Esempi a 300 K:
- Elettrone: lambda_th = 4.3 nm.
- Protone: lambda_th = 0.10 nm.
- Atomo idrogeno: lambda_th = 0.10 nm.
- Atomo Cs (Bose-Einstein candidato): lambda_th = 0.013 nm.
Importante in fisica statistica: quando lambda_th >= distanza media tra particelle, dominano effetti quantistici (Bose-Einstein/Fermi-Dirac). A T molto bassa: condensato Bose-Einstein (BEC) atomi ultra-freddi (lambda_th supera spazio interparticellare).
Microscopia elettronica
Limite risoluzione lambda/2 (Abbe). Microscopio ottico (luce visibile 500 nm): risoluzione 250 nm. Microscopio elettronico:
- SEM (scanning electron microscope): 1 - 30 keV. Risoluzione ~1-10 nm.
- TEM (transmission electron microscope): 100-300 keV. Risoluzione 0.1 nm (atomi).
- STEM (scanning TEM): 100 keV. Risoluzione 0.05-0.1 nm.
- HRTEM (high resolution): risolve singoli atomi.
Vantaggio elettroni vs raggi X: focalizzabili con lenti elettromagnetiche, contrasto alto per atomi pesanti.
Diffrazione di neutroni
Neutroni termici (300 K): lambda = 180 pm, comparabile con spaziature atomi nei cristalli. Usati in:
- Cristallografia neutronica (struttura magnetica, idrogeno).
- Spettroscopia di scattering inelastico (fononi, magnoni).
- Imaging biologico (idrogeno visibile vs raggi X che non lo vedono).
- Reattori di ricerca: ILL Grenoble, NIST USA, J-PARC Giappone.
Implicazioni fondamentali
- Dualismo onda-particella: la materia ha proprietà sia di particella sia di onda. Tutto microscopico mostra entrambe a seconda dell esperimento.
- Principio di indeterminazione di Heisenberg: dx dp >= hbar/2. Onda di materia non pu o avere posizione e momento entrambi precisi.
- Equazione di Schrodinger: 1926, basata su onde di de Broglie. Fondazione meccanica quantistica.
- Quantizzazione orbite atomo: orbite stabili dove circonferenza = n lambda (Bohr-de Broglie). Spiega quantizzazione momento angolare e livelli energetici.
- Tunneling quantistico: onde possono penetrare barriere di potenziale (no analogo classico).
Esperimenti storici
- Davisson-Germer 1927: elettroni 54 eV diffratti da Ni cristallino.
- Thomson 1927: elettroni 30-50 keV su Au, Al lamine.
- Stern 1929: atomi He diffratti da NaCl.
- Estermann-Frisch-Stern 1932: H2 da LiF.
- Carnal-Mlynek 1991: doppia fenditura con atomi metastabili.
- Arndt-Zeilinger 1999-2010: interferenza con C60 (fullerene), C200, biomolecole. Sostiene esistenza onda di materia per oggetti complessi.
- Atomic-fountain BEC 2000s: condensati atomici dimostrano coerenza quantistica macroscopica.
Storia
Louis de Broglie (1892-1987): francese, fratello di Maurice (sperimentale raggi X). Tesi 1924 a Sorbona "Recherches sur la theorie des quanta": estende dualismo di Einstein-Planck al fotone alla materia. Inizialmente scettico Einstein, poi sostegno entusiasta. Conferma sperimentale 1927 (Davisson-Germer, Thomson). Schrodinger (1926) sviluppa equazione d onda. Nobel fisica 1929 per de Broglie (a 37 anni). Concetto generalizzato in QFT (Quantum Field Theory) per tutte le particelle elementari.
Modalita del calcolatore
Cinque modalita: lambda da momento p; lambda da massa e velocità non relativistica; lambda da energia cinetica (con confronto rel/non-rel); elettrone accelerato da voltaggio V (formula 1226.4/sqrt(V) pm); lunghezza d onda termica de Broglie a temperatura T. Output con scala (atomica, nanometrica, ecc.) e confronti.
Aggiornato a luglio 2026
Domande frequenti
Cos'e la lunghezza d'onda di de Broglie?
Come si calcola per un elettrone accelerato?
Qual e la differenza fra formula relativistica e non?
Perche non vediamo le onde della materia quotidiana?
Come fu confermata sperimentalmente?
Perche il microscopio elettronico ha piu risoluzione?
Cos'e la lunghezza d'onda termica di de Broglie?
A cosa serve nella pratica?
Formula
lambda = h/p (de Broglie). Non-relativistic: lambda = h/sqrt(2 m T). Relativistic: lambda = hc/sqrt(T(T+2mc^2)). Electron: lambda(pm) = 1226.4/sqrt(V). Thermal: lambda_th = h/sqrt(2 pi m k_B T).
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