Art.52a– Origine e caratteristiche fisiche del fotone, contraddizioni dell’onda materiale di De Broglie — Antonio Dirita

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In questo articolo vogliamo indagare sull’origine e sul significato fisico dell’onda materiale di De Broglie utilizzando la teoria degli spazi
rotanti che abbiamo elaborato.
Abbiamo visto che, quando una massa  si sposta nello spazio rotante dalla distanza  R  sull’orbita circolare minima  Req < R ,
l’energia che viene emessa dallo spazio rotante è uguale all’eccesso  ΔEe , rispetto al valore  Eeq che è necessario affinché la massa
possa restare in equilibrio sull’orbita  Req .
Nel caso di un elettrone, essa è uguale a quella trasferita dalla radiazione elettromagnetica di frequenza data relazione :

                                                    ν = ΔEe/he

avente una durata uguale a quella del regime transitorio (  Art.51   ) ( periodo orbitale ).
In definitiva si ha un pacchetto di oscillazioni alla frequenza  ν con una durata complessiva uguale a un periodo orbitale.
A questo punto osserviamo che le relazioni sono applicabili fino al punto posto alla distanza dal centro   R →∞ ,   corrispondente a

p →∞  ;   Veq →0  ;   Eeq →0.


La condizione di equilibrio con lo spazio rotante  coincide quindi con l’elettrone fermo ed
energia totale uguale a zero.

Se nello stesso punto abbiamo un elettrone in moto con una velocitàV, il valore dell’energia cinetica coincide con l’eccesso  ΔEe
rispetto alla condizione di equilibrio (elettrone fermo) ed è uguale a quella che lo spazio rotante emetterebbe come unpacchetto
di radiazione elettromagnetica
se l’elettrone si spostasse sull’orbita associata a  p →∞ , raggiungendo la condizione di equilibrio
con i valori orbitali   Veq →0  e   Eeq →0 .

la frequenza della radiazione emessa  sarebbe :         ν = ΔE/he

con una durata dell’emissione uguale alla durata del transitorio  Te(∞) = T11e⋅ p³ → ∞.

Se la massa si muove con una velocità costante nel tempo e la si immagina in frenata  verso la condizione di equilibrio, si può dire che la
velocità di rallentamento tende a zero e quindi necessita di un tempo infinito per fermarsi.

In accordo con il secondo postulato di Bohr, l’energia ΔEviene emessa per tutta la durata del transitorio e quindi per un tempo
infinitamente lungo dunque con un livello di potenza uguale a zero. Questo vuol dire appunto che di fatto la particella non viene
frenata e continua il moto a velocità costante.
Se invece l’elettrone viene frenato, dallo spazio fisico nel quale si muove, raggiungendo la velocità di equilibrio   V = 0 ,  in un

tempo  Δtnel tempo  Δt verrà emessa una radiazione elettromagnetica di frequenza         ν = ΔE/h
con un livello di potenza :
                                                    Pν = ΔEe /Δt

Si deve’ notare che l’emissione di una radiazione elettromagnetica come perturbazione dello spazio non è dovuta ad un processo
misterioso, ma è una immediata conseguenza del principio di conservazione dell’energia che lo spazio fisico deve soddisfare.
Abbiamo infatti una massa materiale ( in questo caso una particella elementare ) che ha nell’istante t0 una energia cinetica uguale a
ΔEe nell’istante tdopo un tempo Δt un’energia uguale a zero. Se la massa in moto viene frenata da un mezzo materiale

vengono eccitati gli atomi del mezzo i quali riemettono la stessa energia come energia
termica, ovvero come radiazione elettromagnetica a bassa frequenza, in modo da
soddisfare il principio di conservazione.

Se l’azione frenante viene esercitata in assenza totale di materia organizzata, ossia nello spazio fisico puro
(quello che le teorie
correnti definiscono come spazio vuoto) ad eccitarsi saranno gli agenti che hanno
prodotto l’azione frenante, ossia
gli elementi spaziali  S0, che 
avendo dimensione  r0 oscilleranno su
frequenze molto più elevate, direttamente proporzionali  alla
energia  ΔEche ha prodotto l’eccitazione, secondo la relazione :

                                                                                             ν = ΔE/h .


Quello che abbiamo descritto coincide esattamente con il processo che genera il fotone. Anche in questo caso si ha infatti una massa

( elettrone ) che nell’istante iniziale ha un’energia uguale a  Ep1 e dopo un tempo  Δt un valore  Ep2 < Ep1 .

La differenza  ΔE= Ep2 – Ep1 è stata assorbita dall’agente frenante, ossia dal mezzo (spazio rotante) nel quale è
avvenuto
il trasferimento da un livello all’altro.

Con il passaggio dal livello pal livello p2 diminuisce sia l’energia che il momento angolare dell’elettrone, per cui la reazione dello
spazio fisico dovrà essere tale da soddisfare i principi di conservazione di entrambi e quindi la radiazione non potrà essere emessa in
tutte le direzioni, con simmetria sferica, ma dovrà avere una precisa direzione per soddisfare la conservazione del momento
angolare.

L’entità fisica, il fotone, che viene utilizzato per indicare questa condizione dello spazio

— deve avere carattere ondulatorio, in quanto deve trasferire energia nello spazio senza spostamento
di materia ordinaria (   
Art.20   ) .

— Deve essere direzionale, in quanto, rispetto al centro dello spazio rotante, deve compensare la riduzione

del momento angolare          Lf = Lp1 – Lp2 .

— Deve infine avere un’estensione limitata nel tempo e quindi nello
spazio
lungo la direzione di propagazione, in quanto la perturbazione ha una durata finita, precisamente uguale alla durata del
transitorio. Quando la durata è molto limitata, come accade, per esempio, nelle transizioni fra orbite elettroniche o nucleari degli
atomi (  Art.51 ), lo spazio percorso dalla perturbazione in un periodo orbitale è tale da poter essere considerato un punto materiale.

Con queste caratteristiche il fotone si presenta come un pacchetto di onde elettromagnetiche con
estensione molto piccola che si 
muove nello spazio in linea retta come una qualsiasi particella
materiale e a seconda del metodo di osservazione, viene intercettato 
e rivelato come un’onda oppure
una particella.

In ogni caso, riprendendo l’idea di De Broglie,  l’oscillazione nasce solo quando una massa
in moto viene frenata dal mezzo
ed ha una durata uguale al transitorio.
Questo vuol dire che  a una massa in moto non accelerato non è associata
nessuna onda materiale
di valore misurabile.
Se si vuole
associare un’onda materiale a una massa in moto uniforme, dunque a velocità costante, si deve precisare che la sua
ampiezza ha
valore uguale a zero.
Il carattere ondulatorio nasce 
solo nel momento in cui viene frenata
da spazio fisico puro.
Nulla accade se viene frenata da un’altra massa che possa acquisire
l’energia e il momento angolare sottratto, in modo da soddisfare i
principi di conservazione.

Se siamo in uno spazio conservativo, possiamo pensare al processo inverso, ossia, se abbiamo un elettrone in equilibrio sull’orbita p, in
moto con velocità Veqp  l’energia è di segno negativo e vale :                   Eeq = – (1/2) ⋅ me⋅Veq² .

Se viene fornita energia si sposta allontanandosi dal centro dello spazio rotante e, se l’energia fornita è sufficiente può rallentare fino

all’orbita associata a  p →∞ , con la velocità  Ve = 0 .
La frequenza che deve avere la radiazione incidente per portare l’elettrone dall’orbita p a  p →∞, per la reversibilità del processo,
sarà uguale a quella della radiazione emessa  nel passaggio da  p →∞
 a  p , ossia :
     da cui si ha : 
che si può scrivere :  
Il primo membro rappresenta la lunghezza d’onda   λe  corrispondente alla frequenza di rivoluzione  νe dell’elettrone, che si muove

sull’orbita associata a  p →∞ , con la velocità  V, dunque con un eccesso di velocità Vrispetto all’equilibrio  con  Ve = 0 .
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Si può dunque scrivere :      
Questa relazione può essere generalizzata agli elettroni in equilibrio su tutte le orbite stabili, considerando che in questo caso l’energia
dell’elettrone è di segno negativo e vale :             .
Rispetto all’elettrone fermo sull’orbita  p →∞  si ha quindi un difetto di energia e quindi l’energia    ΔE = Eeq  rappresenta il
valore dell’energia raggiante che bisogna fornire per fermare l’elettrone , portandolo sull’orbita p∞ .
        
Si noti che     λe = 2·λ    rappresenta la lunghezza d’onda associata alla transizione dall’orbita  p  a quella di equilibrio
associata al numero quantico  p .

L’emissione di energia raggiante si verifica solo durante la transizione perciò  λe  è
definita ed ha significato solo durante il 
periodo di transizione.
In condizioni stazionarie non ha nessun significato.

Se abbiamo un elettrone in moto con la velocità  V costante nello spazio ordinario, dunque sull’orbita  p  dello spazio rotante
protonico, in base  a quanto abbiamo visto, possiamo pensare che la sua velocità raggiungerà il valore di equilibrio (zero) in un tempo
infinito
e tale risulterà anche la durata del transitorio, durante il quale verrebbe emessa la radiazione di energia
.
Dato che l’energia irradiata è data dal prodotto tra la potenza della radiazione e la durata dell’irraggiamento, ne risulta un livello
di potenza   P→0   e quindi non rilevabile dagli strumenti.
Dunque, di fatto risulta che l’elettrone in moto nello spazio ordinario non irradia.
Se però esso viene intercettato da uno schermo materiale, l’arresto si realizza in tempi brevi con risultati diversi, che analizzeremo in un
prossimo articolo .
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Per gli elettroni in equilibrio sulle orbite, dunque in condizioni stazionarie, la sola lunghezza d’onda che si può definire è quella
associata al moto
di rivoluzione  λeq  ed indica lo spazio percorso in un periodo  Teq ,  che
quindi risulta :
  
diversa da  λ e non è associata ad alcuna grandezza variabile nel tempo.
Tutta la ricostruzione che abbiamo fatto mette in evidenza che la costante di Planck è stata ricavata solo con riferimento alla radiazione
emessa dal corpo nero e quindi solo  alla fascia elettronica dell’atomo.
Essa è quindi intimamente legata allo spazio rotante del protone e alle caratteristiche dell’elettrone e
non è utilizzabile in altri spazi rotanti 
con masse in orbita diverse dall’elettrone.

Se abbiamo, uno spazio rotante Ks²comunque generato, atomico, nucleare o astronomico, rifacendo il percorso di Planck, otteniamo
la stessa relazione:
                                        E = hmν         con    E = Eν = Eeq

dove E rappresenta l’energia di legame della massa  m in moto su un’orbita stabile dello spazio rotante Ks²ν è la frequenza della
radiazione capace di trasferire nello spazio la stessa energia e quindi capace anche di rimuovere la massa  m , portandola fuori dallo
spazio rotante e  h ,rappresenta la solita costante di proporzionalità, riferita però a questo
caso
Si ricava dunque :
        
con qualche semplice sostituzione :
           
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sostituendo ancora la frequenza di rivoluzione νeq , si ottiene :
        
uguagliando Eeq all’energia trasferita dalla radiazione       Eν = hmν ,      si ha :
           
Questa relazione si applica a qualsiasi spazio rotante, che potrà anche non presentare alcun legame con l’elettrone,
di cui si può ignorare l’esistenza.
Se ripercorriamo la strada indicata trattando lo spazio rotante atomico  (  Art.51   ) , in cui la particella in orbita è l’elettrone, poniamo :
     
L’espressione della frequenza ν della radiazione coincide formalmente con quella ricavata per la fascia elettronica dell’atomo.
Per quanto riguarda la costante di proporzionalità  h , l’espressione fornita coincide esattamente con quella scritta con riferimento
alla fascia elettronica dell’atomo e fornisce il valore massimo del momento angolare della particella di massa   in orbita nello
spazio rotante considerato.

Non abbiamo dunque alcun motivo valido per fornire una relazione
diversa.

Dal punto di vista formale è tuttavia possibile assumere l’elettrone come riferimento per le particelle in orbita e il protone come
generatore dello spazio rotante.

Avendo posto                                                                Zs = Ks²/Kp²

abbiamo assunto per qualsiasi spazio rotante il protone come unità elementare della massa solare generatrice e quindi si ha :

                                              R11s⋅ V11s² = Kp²
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indipendentemente dal tipo di spazio rotante. Si ha quindi :
      
in generale sarà :            
Per rapportare questo valore al valore ricavato per la fascia elettronica dello atomo, sostituiamo ancora :

        
e si ottiene :    
Se si vuole dare valore universale alla costante di Planck in modo da utilizzare lo stesso
valore per qualsiasi spazio rotante e qualsiasi massa orbitante, ossia :

             hm = he = h = 2⋅π⋅me⋅R11e⋅V11e = 6.6260755⋅10⁻³⁴ j⋅sec

il fattore in parentesi deve essere trasferito alla frequenza, ponendo :
     
si ottiene così la relazione :                                    Eν = h ⋅ ν

E’ chiaro che, se si sposta solo un fattore, il valore dell’energia che si ottiene non cambia. Cambia però la frequenza  ν della radiazione
emessa e questo è un fatto che ha implicazioni fisicamente importanti.
Non esiste però nessuna ragione teorica valida per fare questa scelta, se non  la volontà di dare
necessariamente un valore universale alla costante di Planck h .
Inoltre, la costanza del valore di  h in spazi rotanti con masse orbitanti diverse crea una contraddizione logica nel processo di emissione
della radiazione.
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Secondo la teoria che abbiamo esposto, e l’esperimento lo conferma, i fotoni sono pacchetti d’onda che trasferiscono
nello spazio un valore di energia dipendente solo dalla frequenza.
Fotoni che hanno la stessa frequenza sono uguali tra loro ; non possono quindi esistere fotoni che trasferiscono energia diversa con
la stessa frequenza.
Per aumentare l’energia trasmessa a una data frequenza è necessario aumentare il numero di fotoni e non è possibile, per
esempio, aumentare 
l’ampiezza delle oscillazioni, come succede per qualsiasi altro tipo di onda.
E’ chiaro che, essendo un’osservazione sperimentale, questo comportamento dipende dal processi di generazione ed emissione del
fotone e non dalle scelte teoriche fatte per descriverlo.
Vediamo una possibile giustificazione nell’ambito della teoria degli spazi rotanti.

Negli Art.12  ;   Art.13   ;  Art.31   ;  Art.48  abbiamo visto che l’eccentricità dell’orbita percorsa da una massa satellite in moto in uno
spazio rotante è proporzionale all’eccesso di energia rispetto al valore associato all’equilibrio. Se dunque all’elettrone in orbita viene
fornita energia, man mano che essa viene assorbita aumenta l’eccentricità dell’orbita e, quando l’energia assorbita uguaglia
 il valore
associato all’equilibrio, l’eccentricità risulta  e = 1
 , la velocità della massa in orbita raggiunge il valore di fuga e la traiettoria diventa
una parabola. L’elettrone, per esempio  einfigura, si allontana definitivamente dallo spazio rotante, lungo il tratto centrifugo dell’orbita.
Questa fuga impedisce all’elettrone un ulteriore assorbimento di energia, se anche essa è disponibile. Se si continua a fornire energia
all’atomo, essa verrà assorbita da un secondo elettrone  e, che subirà la stessa sorte di  e.
                              
Il valore massimo dell’energia che un elettrone orbitale riesce ad assorbire è uguale all’energia di legame ( energia cinetica di equilibrio )
che lo allontana dall’atomo impedendogli di fatto di assorbire altra energia. Non è dunque possibile avere emissione di elettroni aventi
energia maggiore di quella associata all’orbita di provenienza. Fornendo più energia non aumenta quella dell’elettrone, ma il numero di
quelli emessi. Se dunque vogliamo aumentare l’energia di un fascio di elettroni emessi per effetto fotoelettrico, non possiamo aumentare
la velocità degli elettroni, ma solo il numero di quelli che compongono il fascio, che hanno comunque tutti la stessa energia (zero quando
sono fuori dallo spazio rotante.
Vediamo ora l’analisi del processo inverso, considerando gli elettroni, nell’esempio di figura   e1 ed  e2 , inizialmente lontano, fermi,
fuori dal raggio d’azione dello spazio rotante nucleare.
Come abbiamo già visto, se l’elettrone  e, avente energia iniziale uguale a zero, si trasferisce sull’orbita stabile ppassa in orbita
con energia cinetica  Eeqp , e viene emesso un fotone con frequenza data dalla  relazione      Eeqp = h ⋅ ν ,   in modo da
conservare l’energia totale del sistema.
Se aumentiamo l’energia cinetica iniziale dell’elettrone  della quantità  ΔE , quando esso giunge sull’orbita p , non viene emesso
un fotone di energia maggiorata di   ΔE ,  ma lo stesso fotone di frequenza     ν = Eeqp/h   e l’energia    ΔE  che è stata
fornita inizialmente rimane all’elettrone sull’orbita come energia di eccitazione, facendogli percorrere un’orbita ellittica di eccentricità

e = (ΔE/Eeqp)1/2 .


Aumentando l’energia
ΔE fornita inizialmente aumenta l’eccentricità fino a quando, raggiunto 
il valore  ΔE = Eeqp  
l’orbita

diventa parabolica e l’elettrone inviato sul nucleo non viene assorbito, ma riflesso insieme al fotone ν = Eeqp/h .
Naturalmente, l’energia del fotone emesso è quella fornita inizialmente all’elettrone.

In definitiva, possiamo dire che l’impossibilità di avere fotoni di diversa energia con la stessa frequenza, ovvero di poter variare il
valore dell’energia variando l’ampiezza dell’oscillazione e non il numero di fotoni, deriva dal fatto che non è possibile fornire
all’elettrone in orbita un’energia maggiore di quella associata all’equilibrio  Eeqp  in quanto interviene la velocità di fuga che lo
allontana fuori dal raggio d’azione del nucleo impedendogli di assorbire altra energia.
Se, per esempio, forniamo all’elettrone un’energia iniziale   ΔE = n · Eeqp  , esso percorrerà  orbite paraboliche ( si tratta
di un esperimento ideale ) ritornando infine a distanza infinita dal nucleo, dopo l’emissione di  fotoni aventi tutti la frequenza

ν = Eeqp/h e la stessa energia ΔE/n .

Supponiamo ora di poter realizzare il seguente esperimento.
Abbiamo n elettroni in moto equilibrato sull’orbita p dello spazio rotante di un atomo con  Zs  protoni nucleari. L’energia di legame
di ciascun elettrone in orbita vale  Eeq1  ed è uguale all’energia  Eν1  della radiazione disponibile, secondo la relazione :

                                                 Eν1 = heν = Eeq1 .

Inviando simultaneamente  ne  , fotoni uguali fra loro, sull’orbita otteniamo l’emissione di  ne elettroni
simultaneamente.
In definitiva abbiamo fornito l’energia :
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Sappiamo che nello spazio rotante le caratteristiche orbitali dipendono solo dalla sfera solareche genera lo
spazio rotante, e non dal valore delle masse in moto sulle orbite.
A parte qualche problema, superabile, di stabilità del sistema, supponiamo di sostituire gli n, elettroni presenti sull’orbita, con un solo
aggregato di massa  m = ne⋅ m.
Secondo l’equazione fondamentale degli spazi rotanti                           Veq²⋅ Req = Ks²

il nuovo aggregato si muoverà sull’orbita ancora con la velocità  Veq  e quindi con un’energia cinetica ( energia di legame ) data da :

Dato che la frequenza del moto orbitale non è cambiata rispetto al caso in cui avevamo gli  ne  elettroni, se inviamo sulla massa
m = ne⋅me   ancora gli   n fotoni “simultaneamente”, aventi la stessa frequenza ν e la stessa fase, ciascuno di
essi si trova, come prima,
nelle giuste condizioni dinamiche per fornire il contributo  1/nall’impulso necessario per accelerare la
massa  , che raggiunge così la velocità di fuga.
Se gli elettroni si trovano sulla stessa orbita in condizioni di moto identiche, il fatto che essi siano indipendenti o aggregati in una sola
massa non cambia la dinamica del processo.
E’ dunque possibile produrre l’emissione di una massa m = ne⋅ me  con i fotoni utilizzati nel modo che abbiamo indicato, anche
se la loro frequenza è appena sufficiente per espellere uno solo degli elettroni aggregati.

Questo risultato contraddice però l’ipotesi secondo la quale, per espellere la massa con
energia di legame
   ,
si debba impiegare un solo fotone caratterizzato da una frequenza

          ν = (ne⋅ν)       e quindi energia :       Eν = he⋅ν = he⋅(ne⋅ν) = Eeq
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Se scriviamo questa relazione nella forma equivalente :              Eν = (ne⋅he)⋅ν = hm⋅ν = Eeq

è facile verificare che, moltiplicando la costante  he  per  nsi “costruisce” un fotone perfettamente equivalente agli ne precedenti,
considerati coerenti ed agenti simultaneamente, con la stessa frequenza ν .

Se ora consideriamo il processo inverso, quando la massa m , partendo da una distanza R →∞ , giunge sull’orbita, viene emesso
un fotone che ha una frequenza dipendente unicamente dalle condizioni di moto che si realizzano 
sull’orbita che, per quanto
abbiamo visto, sarà uguale a ν con una energia uguale a quella di legame  Eeq, secondo la relazione :

                                             Eν = hm⋅ν = Eeq

La costante di Planck, che, con riferimento alla fascia elettronica dell’atomo, abbiamo indicato con h, assume un valore dipendente
dalla massa in orbita sulla fascia periferica dell’atomo, l’elettrone.

La sua caratteristica di costante universale è quindi legata unicamente alla universalità dell’elettrone nell’atomo.

In uno spazio rotante diverso, nel quale l’elettrone non compare come massa orbitante
o non compare affatto, come, per esempio, nel nucleo atomico, non 
è possibile
che la costante  h  assuma un valore dipendente da una particella
inesistente.

Consideriamo quindi la costante di Planck nella sua forma più generale :

Ricordiamo che per lo spazio rotante nucleare abbiamo ricavato :
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       e per il protone polarizzato in orbita    m = 3/4 · mp
sostituendo si ottiene la costante di Planck valida per le reazioni nucleari:
      
sostituendo i valori numerici si ottiene :

                      hpN = 32.13776478 ⋅ h= 2.129472558⋅10⁻³² j⋅sec

La frequenza della radiazione che bisogna fornire per estrarre un protone dal livello nucleare p di un nucleo atomico di numero atomico
Z  , vale :

ricordando che :   

numericamente si ottiene :  
Per esempio, per poter produrre l’espulsione di un protone dal quarto livello nucleare di un  atomo di stagno  con 
( Z = 50 ; p = 4 )
,
trascurando per il momento l’energia richiesta per altre transizioni connesse, è necessario inviare un fotone
con 
frequenza :
                               ν(50 ; 4) = 6.471102159⋅10¹⁹ Hz⋅(502/3⋅1/4²) = 5.489148⋅10¹⁹ Hz
ed energia :
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                       Eν(50 ; 4) = hpν(50 ; 4) = 7.2957 MeV

L’energia di legame del protone sul quarto livello nucleare, utilizzando il valore dell’energia per strato riportata nell’ Art.75    vale:


in ottimo accordo con l’energia associata alla radiazione nucleare calcolata.
Se si utilizza il valore corrente della costante di Planck con valore universale, si pone :

                                 hpN = he = h = 6.6260755⋅10⁻³⁴ j⋅sec

e si sposta il secondo fattore sulla frequenza, che diventa :

sostituendo i valori numerici :    

Come si può vedere, considerando la costante di Planck indipendente dallo spazio rotante la frequenza della radiazione associata ai livelli
nucleari risulta maggiore di un fattore uguale a 32,13776478 , ma il valore dell’energia è data comunque dalla relazione :


Se consideriamo, per esempio la transizione di un protone dalla quinta orbita alla quarta in un nucleo di neodimio ( Z = 60 ) , la
radiazione γ emessa avrà :
— energia :

eseguendo i calcoli :                             Eν(60; 5-4) = 2.9659 MeV

— frequenza :

Una maggiore precisione si ottiene utilizzando l’energia per strato (   Art.75    ) :

con i valori numerici :

in ottimo accordo con i valori sperimentali.
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 Art.52a– Origine e caratteristiche fisiche del fotone, contraddizioni dell’onda materiale di De Broglie — Antonio Dirita

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