Massa e temperatura

Qualcuno ha mai ipotizzato la dipendenza della massa di un corpo, come può essere un elettrone, dalla temperatura per spiegare, ad esempio, fenomeni di superconduttività (anche se questi vengono ben descritti dalle Teorie di Landau o Cooper)?
Gioacchino Ballarino
16 agosto 2004
La domanda coinvolge i temi della Fisica teorica dalla metà del XIX secolo fino a Einstein. La massa e la temperatura sono proprietà piuttosto diverse: la prima è una caratteristica intrinseca di un oggetto, come un elettrone, indipendente dall'ambiente in cui esso si trova; la seconda è invece una proprietà collettiva di un insieme molto grande di oggetti, come ad esempio un gas di elettroni in una scatola.

La temperatura si può collegare alla energia media degli elettroni nel gas: questi si muovono, urtano tra loro, perdono e acquistano energia molto rapidamente ma il valore mediato su un tempo abbastanza lungo è costante se il gas resta imperturbato nella scatola.
La massa invece è l'energia intrinseca dell'elettrone a riposo, isolato da tutto il resto, secondo la famosa equazione di Einstein.

Si può quindi avere una dipendenza della massa dalla temperatura solo come una descrizione approssimata e statistica dell'interazione di un elettrone con altri elettroni o con gli atomi dentro la materia.
Ad esempio, l'elettrone in un metallo è libero di muoversi ma interagisce col reticolo degli atomi: la modifica del suo moto per effetto di questa attrazione può essere descritta cambiando il valore della massa in una massa effettiva, caratteristica del tipo di metallo. Quindi, dentro il metallo, l'elettrone è quasi libero ma ha una massa effettiva.

Questa approssimazione vale fintanto che la temperatura del metallo è bassa o moderata in modo che l'elettrone resti nel metallo. Se questo invece viene scaldato, l'elettrone può cambiare il suo stato d'interazione con gli atomi, cambiare la banda di energia in cui abita e quindi avere un'altra massa effettiva, fino a uscire dal metallo e riacquistare la sua massa reale. In questo caso possiamo quindi dire che la massa dipende dalla temperatura, nel senso che a basse temperature nei metalli gli elettroni sono ben descritti da una massa effettiva e, ad alte temperature, dalla massa reale. Si tratta comunque di un effetto mediato dall'interazione con altri corpi, come dicevo inizialmente.

La superconduttività non riguarda propriamente il fatto che la massa dell'elettrone sia modificata a bassa temperatura, cosa comunque possibile per quanto detto sopra. Oltre alla corrente che scorre senza dissipazione, ci sono altri fenomeni che indicano un cambiamento radicale del tipo di eccitazione presente nel superconduttore a bassa temperatura. Inoltre la meccanica quantistica produce effetti nuovi che non sono facilmente spiegabili in modo non tecnico.

In breve, gli elettroni non sono più quasi liberi ma si legano a coppie; queste coppie formano inoltre uno stato collettivo molto stabile a bassa temperatura, ovvero si muovono solamente tutte insieme. Questo moto collettivo dà la supercorrente che non si dissipa perché questo stato è stabile.

Andrea Cappelli Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Firenze

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011