Model atomic modernLa a cincea Conferință Solvay despre electroni şi fotoni (1927), mecanica cuantică a fost consacrată ca teorie a materiei la scară atomică. Forma cea mai generală a mecanicii cuantice va fi dată de fizicianul englez Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984).

 

 

 

Modele atomice. Mecanica cuantică (5)


Dirac este laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 1933, împreună cu Erwin Schrödinger. El este fondatorul mecanicii cuantice relativiste şi a electrodinamicii cuantice.

Prin aplicarea ideilor lui Einstein din teoria relativităţii speciale, Dirac a elaborat în 1928 teoria relativistă a mişcării electronului. Mecanica cuantică relativistă a lui Dirac descrie proprietăţile fundamentale ale electronului şi corectează eşecul teoriei lui Schrödinger în explicarea spinului electronului, descoperit de G. E. Uhlenbeck şi S. A. Goudsmit în 1925. În încercarea sa de a aplica teoria relativităţii în mecanica cuantică, Dirac a propus o ecuaţie de mare eleganţă, care-i poartă numele: ecuaţia lui Dirac. Lucrând la găsirea unei soluţii pentru ecuaţia sa, Dirac prezice existenţa unei particule asemănătoare cu electronul, având aceleaşi proprietăţi, dar cu sarcină opusă, pozitivă. Aceasta este antiparticula electronului pe care mai târziu, în 1932 o va descoperi C.D. Anderson, confirmând astfel predicţia lui Dirac. Anderson va denumi această particulă pozitron [b]. Paul Dirac şi-a adus aportul şi la dezvoltarea aparatului matematic al fizicii cuantice, el fiind cel care introduce „notaţiile Dirac” pentru elementele spaţiului vectorial: parantezele “|>”  pentru vectorii „ket” şi “<|”  pentru vectorii „bra”. O altă contribuţie a lui Dirac în matematică şi fizică este funcţia pentru distribuţii punctuale care-i poartă numele - funcţia delta (δ) a lui Dirac. Paul Dirac este recunoscut ca unul dintre cei mai însemnaţi reprezentanţi ai fizicii teoretice al secolului al XX-lea.

Cu referire la formalismul matematic al mecanicii cuantice, trebuie făcute câteva precizări. Un rol important la crearea aparatului matematic al mecanicii cuantice, alături de fizicieni ca Born, Heisenberg, Jordan, Schrödinger, Dirac au avut matematicienii David Hilbert (1862-1943) şi John von Neumann (1903-1957). Spaţiul vectorial infinit dimensional în care este formulată astăzi mecanica cuantică este numit în onoarea lui David Hilbert, spaţiu Hilbert. Esenţa formulării matematice a mecanicii cuantice constă în enunţul: pentru a descrie un tip dat de particulă, se poate introduce un spaţiu vectorial complex şi fiecărei stări posibile de mişcare a particulei i se poate asocia un vector din acest spaţiu vectorial [4].

Relaţia dintre fizică şi matematică este foarte frumos exprimată de renumitul teoretician al fizicii matematice, Roger Penrose: „Unul din aspectele remarcabile ale comportării lumii noastre este modul extraordinar de precis în care se pare că este fundamentată matematic. Cu cât înţelegem mai bine lumea fizică şi cu cât pătrundem mai adânc legile naturii, cu atât mai puternică este impresia că treptat lumea fizică dispare şi rămânem cu matematica”.



În august 1932, fizicianul american Carl David Anderson (1905-1991) şi studentul său Seth H. Neddermeyer (1907-1988) au descoperit antiparticula electronului, pozitronul, în compoziţia razelor cosmice. Pentru descoperirea sa, C.D. Andersen a fost răsplătit cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1936. În 1933, fizicianul englez Patrick Maynard Stuart Blackett (1897-1974), studiind razele cosmice, confirmă existenţa pozitronului. Descoperirea pozitronului a marcat o nouă etapă în dezvoltarea fizicii particulelor fundamentale, punându-se bazele posibilităţii trecerii unor microparticule în altele şi a generalizării existenţei antiparticulelor la celelalte particule. 

În acelaşi an, 1932, fizicianul englez James Chadwick (1891-1974) descoperă o particulă în nucleul atomului, lipsită de sarcină electrică, denumită neutron. Pentru această descoperire a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1935. După această descoperire, W.K. Heisenberg în Germania şi fizicianul rus Dmitri Dmitrievici Ivanenko (1904-1994) în fosta U.R.S.S. propun un nou model de atom: modelul protono-neutronic, constând din Z protoni şi din N neutroni. Pe baza observaţiilor experimentale, s-a constatat că protonul şi neutronul sunt una şi aceeaşi particulă, nucleonul, în două stări de sarcină diferită: protonul având sarcina +e, iar neutronul sarcina nulă.  S-a constatat, de asemenea, că neutronul în interiorul unui nucleu este la fel de stabil ca şi protonul, dar când este singur în spaţiu, el se dezintegrează.

La 38 de ani de la descoperirea radioactivităţii naturale de către Becquerel (1896), în 1934, soţii Irène şi Frédéric Joliot-Curie descoperă radioactivitatea artificială. Radioactivitatea artificială este un proces provocat sau indus în care prin reacţii nucleare se obţine un izotop instabil sau radioactiv. Prin astfel de reacţii nucleare s-au obţinut substanţe radioactive care nu sunt de găsit în natură. După descoperirea neutronului s-a stabilit eficacitatea deosebită a acestuia (în special a neutronului lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactivitate artificială. Neutronul prezintă avantajul că nu are sarcină, deci poate să pătrundă cu uşurinţă în nucleul ţintă. Odată cu folosirea surselor de neutroni ca particule bombardante, numărul izotopilor radioactivi obţinuţi pe cale artificială a crescut enorm.

În 1934, fizicianul italian Enrico Fermi (1901-1954), a propus o descriere simplă şi clară a dezintegrării β, adoptând ideea lui Pauli privind existenţa unei particule neutrino ce ar asigura respectarea legii conservării energiei. Fermi este şi cel care descoperă reacţiile nucleare induse de neutronii încetiniţi. El a demonstrat posibilitatea producerii unui mare număr de izotopi radioactivi, prin bombardarea cu neutroni a elementelor stabile. În 1938 a primit Premiul Nobel pentru Fizică "pentru demonstraţiile sale de existenţă a unor noi elemente radioactive produse prin iradiere cu neutroni, precum şi pentru descoperirea legată de reacţii nucleare cauzate de neutronii lenţi".

În 1935 fizicianul japonez Hideki Yukawa (1907-1981) propune prima teorie semnificativă cu privire la interacţiile tari sau forţele tari care menţin protonii şi neutronii (nucleonii) strâns legaţi în nucleu. Yukawa a pornit de la o analogie cu interacţia electromagnetică. Forţelor electromagnetice care se exercită între particulele cu sarcină electrică li se asociază o particulă, şi anume fotonul. Yukawa a emis ipoteza existenţei unei particule care, asemeni fotonului din interacţia electromagnetică, să intermedieze forţele puternice care leagă nucleonii. Particula din ipoteza lui Yukawa s-a dovedit (în 1947) a fi mezonul pi (π). Într-adevăr, acum se ştie că pionii joacă un rol esenţial în fenomenele care implică interacţiile tari. Cu teoria propusă de  Yukawa, modelul atomului modern s-a considerat a fi complet.

Fizica particulelor elementare (7)