» 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.
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Considerazioni sparse sui semiconduttori

Generalità

Il meccanismo fisico che determina una corrente elettrica nei semiconduttori è completamente diverso da quello che caratterizza i metalli (elettroni di conduzione). Come sappiamo, mentre nei metalli la banda di conduzione è contigua a quella di valenza, nei semiconduttori tali bande sono separate da una gap che in materiali del tipo silicio/germanio è dell'ordine di 1 eV. Negli isolanti, invece, si raggiungono i 5-7 eV.
Alla temperarua dello zero assoluto, siamo "a bocce ferme" nel senso che gli elettroni riempiono la banda di valenza e non hanno energia (termica) sufficiente per passare alla banda di conduzione, che quindi rimane vuota. Si badi che ciò non è un "salto quantico", ma semplicemente un effetto di natura termica, quindi statisticamente efficace. In parole povere, nei semiconduttori il "gioco sporco" è svolto dalla temperatura. Ben diverso, invece, è il comportamento dei metalli che esibiscono il fenomeno della superconduttività quando la temperatura di equilibrio termodinamico si avvicina allo zero assoluto.
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