Energia continua e discontinua

Energia continua e discontinua

Nello scritto precedente ci siamo soffermati sul moto continuo e discontinuo. Il moto continuo è il moto dei corpi, studiato nella fisica classica di Galilei e Newton. Il moto discontinuo è il moto della luce, studiato nella meccanica quantistica.

In questo scritto ci soffermiamo sull’energia, anch’essa ripartita in energia continua e discontinua.

L’energia continua è quella sprigionata da una massa in movimento. Si tratta dell’energia cinetica. L’energia cinetica è espressa dalla seguente formula: E=1/2mv², dove “m” è la massa del corpo in movimento e “v” è la sua velocità. Einstein ha dimostrato l’equivalenza tra massa ed energia (E = mc²). La formula dell’energia cinetica può essere interpretata così: E (energia cinetica)=1/2m (energia massiva)v². L’energia cinetica aumenta all’aumentare della velocità dell’energia massiva e diminuisce al diminuire della velocità dell’energia massiva. L’aumento della velocità dipende dallo spazio e dal tempo che la compongono.

Consideriamo tre oggetti di uguale massa che si muovono a tre differenti velocità: 1m/s, 1,5m/s, 2m/s. Possiamo rappresentare il movimento con tre vettori di uguale lunghezza che designano il tempo (invariante) e con segmenti di diversa lunghezza che designano lo spazio (figura 1).

Figura 1) Tre oggetti della stessa massa “m” in moto alle velocità di 1m/s, 1,5m/s, 2m/s. Nello stesso tempo di 1 secondo (freccia tratteggiata), i tre corpi percorrono spazi di grandezze diverse. Rispettivamente: 1m, 1,5m, 2m (segmenti)

Possiamo considerare ciascuna velocità come un livello di energia cinetica. Supponiamo adesso che un corpo di massa “m” che viaggia alla velocità di 1m/s si porti alla velocità di 2m/s. Possiamo affermare che la velocità varia. Ci poniamo la domanda: rispetto a che cosa varia la velocità. La velocità varia nel tempo, cioè la velocità di 1m/s (prima) è diversa dalla velocità di 2m/s (dopo). La variazione di velocità avviene, però, in un continuum temporale. Il corpo, di massa “m”, passa dalla velocità di 1m/s alla velocità di 2m/s gradualmente Trattandosi di livelli di energia, il corpo di massa “m” passa dal livello di energia 1m/s al livello di energia 2m/s.

Nell’immagine in basso (figura 2), il continuum energetico è designato da palline, che rappresentano la massa, che si distribuisce nello spazio al tempo di un secondo. Lo spazio/tempo è indicato con una feccia. A ogni distribuzione corrisponde un livello di energia. Il corpo di massa m passa nel continuum temporale da un livello all’altro.

Figura 2) Corpo di massa “m” che accelera portandosi dalla velocità di  1m/s, alla velocità di 2m/s. In un continuum temporale (freccia tratteggiata) il corpo passa dal livello di energia cinetica 1/2mV² (V =1m/s) al livello di energia cinetica 1/2mV² (V =2m/s). Le palline designano quanta energia è distribuita nello spazio allo stesso tempo di un secondo per ogni livello. 

Nel variare della velocità, il tempo rimane invariante (è sempre un secondo) mentre lo spazio varia. Un corpo che si muove modifica la sua posizione rispetto a un punto fisso, aumentando e diminuendo la distanza da questo punto. Se il corpo viaggia alla velocità di un metro il secondo, in un secondo si allontana dal punto di riferimento di un metro. Se viaggia alla velocità di due metri il secondo, in un secondo si allontana dal punto di riferimento di due metri. Ciò significa che i livelli di energia non sono contigui nello spazio, come li abbiamo rappresentati nella figura 1. Essi sono spazialmente e temporalmente sovrapposti. Il corpo di massa “m”, portandosi a un livello di energia superiore, non salta nello spazio, ma prosegue nella stessa direzione (figura 3).

Figura 3) Sovrapposizione spazio/temporale dei livelli di energia cinetica nell’accelerazione di un corpo di massa “m”. Un corpo di massa “m” che accelera portandosi da un livello di energia cinetica ad un altro livello di energia cinetica superiore non salta da un livello all’altro. Il passaggio avviene per sovrapposizione spazio/temporale.  

Consideriamo adesso il moto della luce. Si tratta di un moto discontinuo.

 Osserviamo l’immagine in basso. Si tratta di una rappresentazione dell’onda elettromagnetica. Soffermiamoci sulla componente elettrica. L’onda elettrica può essere descritta come un susseguirsi nello spazio/tempo di vortici di energia. Abbiamo un vortice di energia positiva (cresta, moto orario) seguito da un vortice di energia negativa (ventre, moto antiorario). L’energia positiva è presente in un punto dello spazio tempo poi è assente e riappare in un altro punto dello spazio/tempo lungo una precisa direzione spazio/temporale. Il movimento dell’onda elettrica è quantizzato. E’, cioè, costituito da punti spazio/temporali (presenze) intervallati da assenze (figura 4).

Figura 4. Movimento dell’onda elettromagnetica.  L’onda elettrica può essere descritta come un susseguirsi alternato di vortici positivi (cresta, moto orario) e negativi (ventre, moto antiorario). Sia i vortici positivi, cioè le creste, sia i vortici negativi, cioè i ventri, generano un reticolo spazio/temporale di presenze intervallate da assenze.  L’intervallo è spazio/temporale. 

Nel loro diffondersi nello spazio in ogni direzione, l’onda elettrica e l’onda magnetica si muovono per salti spazio/temporali. Ambedue le onde descrivono un reticolo spazio/temporale direzionale (figura 5).

Figura 5. Rappresentazione per salti spazio/temporali del movimento della radiazione luminosa.  L’onda elettrica e l’onda magnetica possono essere rappresentati come un susseguirsi alternato di vortici positivi (+) e negativi (-). In nero è raffigurato il reticolo spazio/temporale dell’onda elettrica; in rosso è raffigurato il reticolo spazio/temporale dell’onda magnetica. 

Questo reticolo spazio/temporale è intrinsecamente invariante. La velocità di ogni salto, infatti, è sempre la stessa, poiché la luce viaggia nel vuoto sempre alla stessa velocità (300,000 km/s).

Nel moto discontinuo dell’energia radiante, la variazione di energia del quantum energetico non è legato alla velocità ma alla frequenza. Maggiore è la frequenza, maggiore è l’energia; minore è la frequenza, minore è l’energia.

Consideriamo tre quanti di energia diversa l’una dall’altra che si muovono alla stessa velocità con salti spazio/temporali. Possiamo rappresentare il movimento con tre vettori di uguale lunghezza (il disegno è impreciso) ma diversa frequenza. Il quantum di energia è rappresentato da una pallina. Essa salta alla stessa velocità. L’energia si distribuisce nello spazio/tempo per salti spazio/temporali di uguale velocità. Maggiore è il numero dei salti, più energia quantistica è distribuita nello stesso spazio/tempo; minore è il numero dei salti, meno energia quantistica è distribuita nello stesso spazio/tempo. Il numero di salti nella stessa unità spazio/temporale definisce il livello di energia.

Nella figura 5 sono rappresentati tre livelli di energia quantistica diversi, dal minore (disegnato in alto) al maggiore (disegnato in basso).

Figura 5. Tre livelli di energia quantistica, rappresentati attraverso la distribuzione dell’energia nello spazio/tempo.  Nel livello di energia quantistica maggiore, più quanti sono distribuiti nello stesso spazio/tempo degli altri livelli di energia. 

Come già scritto, un corpo di massa “m”, che accelera, passa da un livello di energia cinetica all’altro. Questo passaggio avviene in un continuum temporale e per sovrapposizione di spazi e tempi. Ciò significa che, in questo passaggio, il corpo di massa “m” non salta nello spazio per portarsi a un livello di energia superiore, ma percorre la stessa direzione. Un fatto analogo avviene a un quanto di energia. Per portarsi a un livello di energia quantistica superiore, il quanto di energia non salta nello spazio ma percorre la stessa direzione. Anche in questo caso, il passaggio da un livello di energia all’altro avviene per sovrapposizione degli spazi e tempi.

Osserviamo l’immagine in basso (figura 6). Si tratta di una lampada. Essa è ferma; di conseguenza l’energia cinetica è zero. Ipotizziamo che la lampada emetta radiazioni di una sola frequenza in ogni direzione. L’energia della radiazione è definita dall’intervallo spazio/temporale tra un salto e l’altro.

Figura 6. Lampada accesa e ferma. Il livello di energia cinetica della lampada è zero. Il livello di energia quantistica della radiazione è dato dall’intervallo spazio/temporale tra un salto e l’altro.

Supponiamo che la lampada si trovi sovra un carrello che accelera verso destra, portandosi alla velocità di 1m/s. L’energia cinetica aumenta. In un continuum temporale, la lampada di massa m, passa dall’energia cinetica “0” all’ energia cinetica 1/2mV²(1m/s)².

Anche l’energia della radiazione, che si muove verso destra, aumenta. Quest’aumento avviene in un discontinuum spazio/temporale. Gli intervalli spazio/temporali tra un salto e l’altro del quantum di energia diminuiscono.

L’energia della radiazione che si muove verso sinistra, in opposizione al moto della lampada, diminuisce. Anche questa diminuzione avviene in un discontinuum spazio/temporale. Gli intervalli spazio/temporali tra un salto e l’altro del quantum di energia aumentano.

L’aumento di energia cinetica e l’aumento/diminuzione di energia quantistica consiste in passaggi ad un livello di energia diverso (superiore o inferiore). Questi passaggi avvengono per sovrapposizione spazio/temporali.

Osserviamo l’immagine in basso. Si tratta degli orbitali atomici. Essi sono organizzati per livelli energetici, forme e orientamento (figura 7).

Figura 7. Orbitali atomici. L’organizzazione degli orbitali atomici dipende dal livello energetico, dalla forma e dall’orientamento nello spazio. Ogni orbitale è diverso dall’altro per uno o più di questi parametri: livello, forma, orientamento. Due orbitali possono essere uguali per livello energetico e forma. In questo caso sono diversi per orientamento.

I livelli energetici si possono dedurre dal riempimento degli orbitali da parte degli elettroni. Nell’immagine in basso (figura 8) è illustrato l’ordine temporale di distribuzione degli elettroni. Essi riempiono dapprima l’orbitale 1S, poi l’orbitale 2S, ecc..

Figura 7. Livelli energetici degli orbitali atomici. I livelli energetici degli orbitali sono ricavati dal riempimento degli elettroni. Gli elettroni degli atomi con numero atomico via via più alto riempiono gli orbitali secondo lo schema illustrato in alto. L’ordine sequenziale è il seguente: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p,7s, 5f, 6d.  

I livelli degli orbitali sono livelli energetici che sono sovrapposti spazio/temporalmente l’uno all’altro. Ciò significa che questi livelli non sono distribuiti nello spazio. Il livello 1S non è, quindi, il più vicino al nucleo e il livello 6D non è il più lontano.

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