» Esercizi svolti di Matematica e Fisica

Struttura del nucleo atomico: Ettore Majorana vs Enrico Fermi

Nel nostro secondo articolo per AspenCore parleremo fondamentalmente della struttura cristallina del carburo di silicio e dell'arseniuro di gallio, quali semiconduttori di ultima generazione. La predetta struttura implementa per così dire, l'«hardware» sul quale sono "montati" i costituenti «elementari» del semiconduttore in esame, vale a dire atomi ed elettroni. A questo punto è necessario saper maneggiare un qualche ragionevole modello fisico-matematico. A tale scopo, è bene rispolverare nozioni di storia della Fisica con particolare riferimento alla scuola italiana di Fisica Teorica della prima metà del Novecento. Più specificatamente, in questo video vediamo il famoso fisico italiano Ettore Majorana alle prese con un modello dell'atomo in auge in quel periodo, e che interpretava il nucleo atomico alla stregua di un sistema legato composto da protoni ed elettroni; interpretazione magistralmente confutata da Majorana, grazie all'osservazione non banale secondo cui l'elettrone essendo molto più leggero del protone, tende a "schizzare via" (pur rimanendo confinato nell'atomo a causa del campo di forze attrattivo esercitato dalla carica positiva dei protoni). Tra l'altro, Majorana aveva in tal modo anticipato l'esistenza del neutrone, scoperto anni dopo.

Le argomentazioni del fisico catanese si generalizzano facilmente alla fisica dello stato solido, con la non trascurabile complicazione dovuta a un differente stato di aggregazione della materia, nel senso che fino a quando ci si riferisce a un atomo "libero" o debolemente legato ad altri atomi (si pensi alla nozione di "gas perfetto") è relativamente facile risolvere quantisticamente il problema. Nel caso dei solidi, siamo in presenza di una disposizione ordinata di atomi che sono per così dire, "incapsulati" nel reticolo cristallino. A seconda dell'elemento chimico considerato, possiamo avere diverse configurazioni di elettroni. Ad esempio, nei metalli troviamo un sistema di elettroni liberi, il cui moto può essere disaccoppiato da quello degli ioni proprio in forza della "leggerezza" degli elettroni medesimi. Di contro, nel silicio e nel germanio (semiconduttori), i corrisponenti atomi sono tetravalenti e i 4 elettroni stabiliscono legami covalenti con gli elettroni degli atomi contigui. In altri termini, abbiamo una precisa configurazione topologica termicamente stabile nelle basse temperature.