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1 UD 8 Luce ed elettroni. 2 UD8 Luce ed elettroni.

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Presentazione sul tema: "1 UD 8 Luce ed elettroni. 2 UD8 Luce ed elettroni."— Transcript della presentazione:

1 1 UD 8 Luce ed elettroni

2 2 UD8 Luce ed elettroni

3 3 mappa Natura luce Dentro la luce: onde o corpuscoli? Le moderne interpretazioni sulla natura della luce risalgono al XVIII secolo e sono attribuibili al fisico inglese Isaac Newton e allastronomo olandese Christian Huygens, sostenitori di ipotesi diverse. In estrema sintesi, secondo Newton vediamo gli oggetti che ci circondano perché essi emettono dei corpuscoli, mentre per Huygens le immagini che percepiamo, in analogia ai suoni, sono formate da un flusso di onde che partono dai corpi. UD8 Luce ed elettroni

4 4 mappa Un passo in avanti decisivo nella comprensione della natura della luce fu fatto ancora una volta grazie allo studio dellelettricità. Nella seconda metà del XIX secolo, il fisico scozzese James Clerk Maxwell, studiando i fenomeni elettrici e magnetici, intuì che una carica elettrica oscillante doveva produrre un campo elettrico e uno magnetico, tra loro perpendicolari, che si propagavano in forma di onde. Lesistenza di tali onde elettromagnetiche fu poi effettivamente dimostrata sperimentalmente dal fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz ( ). Linee del campo elettrico che si propagano in tutte le direzioni carica elettrica oscillante UD8 Luce ed elettroni Natura luce

5 5 mappa Poiché spesso linterazione tra luce e materia riguarda esclusivamente la componente elettrica della radiazione, per semplicità si rappresenta solo questultima. La luce rivelava un comportamento analogo a quello delle onde elettromagnetiche e, poiché la velocità di propagazione di queste ultime risultò uguale a quella misurata per la luce, egli concluse che: UD8 Luce ed elettroni Natura luce

6 6 mappa Ogni onda elettromagnetica è caratterizzata da una lunghezza donda (lambda), che rappresenta la distanza fra i punti corrispondenti di due onde successive, e dalla frequenza (ni), che è il numero delle oscillazioni che londa compie in un secondo. Frequenza dimezzata Lunghezza donda raddoppiata UD8 Luce ed elettroni Natura luce

7 7 mappa Lunghezza donda e frequenza sono inversamente proporzionali e la costante di proporzionalità è data dalla velocità di propagazione dellonda. La velocità di tutte le onde elettromagnetiche, luce compresa, è dunque costante ma varia da un mezzo allaltro (aria, acqua, vetro ecc.); nel vuoto essa vale circa km · s -1 e si indica con la lettera c. Per semplicità utilizzeremo tale valore (c = km · s -1 ) per la velocità in qualsiasi mezzo, il che consente di rappresentare la relazione tra le grandezze viste come: La lunghezza donda viene misurata in metri, mentre la frequenza viene misurata in cicli al secondo o hertz (Hz). UD8 Luce ed elettroni Natura luce

8 8 mappa Le onde elettromagnetiche hanno frequenze comprese tra Hz per i raggi cosmici fino a pochi hertz per alcuni tipi di onde radio, ed è proprio la frequenza che determina lenergia di unonda e quindi il suo modo di interagire con la materia. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

9 9 mappa Luce e elettroni Vi sono onde (o radiazioni) elettromagnetiche con frequenze diversissime. Linsieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche si dice spettro elettromagnetico. UD8 Luce ed elettroni

10 10 mappa Pur essendo tutte caratterizzate dalla propagazione dei due campi visti, le onde elettromagnetiche possono comportarsi in maniera del tutto diversa quando incontrano la materia. Da questo punto di vista, esse possono essere divise in due grandi categorie: le onde con frequenza superiore a 3 ·10 15 Hz e quindi lunghezza donda inferiore a 100 nm hanno unenergia sufficiente per staccare gli elettroni dagli atomi e sono dette radiazioni ionizzanti; le onde con frequenza inferiore a 3 ·10 15 Hz non trasportano un quantitativo di energia sufficiente a staccare gli elettroni: sono dette radiazioni non ionizzanti e hanno più blande interazioni con la materia; è in questa regione dello spettro che si parla propriamente di campi elettromagnetici. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

11 11 mappa Più nel dettaglio, lo spettro elettromagnetico è stato suddiviso in regioni, alcune delle quali hanno nomi che ci sono familiari. In particolare:le radiazioni percepibili dallocchio umano appartengono alla zona del visibile, compresa tra 400 nm e 700 nm. Ultravioletti (UV) e infrarossi (IR) per noi sono invisibili, ma interagiscono entrambi con il nostro organismo: i primi sono responsabili dellabbronzatura della nostra pelle, mentre i secondi li avvertiamo, sotto forma di calore, quando ci avviciniamo a un fuoco o a un termosifone. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

12 12 mappa La luce del Sole è formata da onde elettromagnetiche di molte lunghezze donda diverse. Lo vediamo quando essa attraversa un prisma di materiale trasparente, o delle gocce dacqua, dando luogo allarcobaleno. Quando un fascio di luce emesso dalle comuni sorgenti luminose, che sono per lo più policromatiche, attraversa per esempio un prisma trasparente o delle gocce dacqua, viene scomposto nelle radiazioni di diversa frequenza che lo compongono. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

13 13 mappa Passando da un mezzo (laria) a un altro (il materiale del prisma, lacqua) ogni radiazione viene deviata in modo proporzionale alla sua frequenza. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

14 14 mappa Anche elementi in fase gassosa, se opportunamente stimolati, sono in grado di emettere luce, come si verifica nei comuni tubi al neon o, in modo più spettacolare, con i diversi colori dei fuochi dartificio. Ciò che distingue queste sorgenti è che la luce emessa ha colore diverso a seconda dellelemento che la produce ed è composta da poche frequenze diverse. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

15 15 mappa Scomponendo la luce con un prisma, si produce unimmagine (detta spettro) che, anziché variare con continuità da un colore allaltro, è costituita da poche righe distinte, caratteristiche dellelemento che emette la luce. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

16 16 mappa Gran parte dei corpi che vediamo normalmente non emettono luce propria. Il loro colore dipende dalla lunghezza donda delle radiazioni che essi non assorbono e rimbalzano su di loro. Il colore di un corpo dipende dunque sia dalle sue caratteristiche, sia anche dalla composizione della luce che lo illumina. Sono esempio i pigmenti fotosintetici, primo tra tutti la clorofilla. Le piante appaiono verdi perché la clorofilla assorbe i fotoni nel rosso e nel blu, riflettendo quelli del giallo e del verde. Il nostro occhio fa il resto dato che è più sensibile al verde che al giallo. Gli stessi oggetti, illuminati con luce di diversa composizione, appaiono di colori differenti. È per questo che, prima di acquistare una maglietta, vogliamo vederla alla luce del giorno e non solo a quella artificiale del negozio. UD8 Luce ed elettroni Natura luce

17 17 mappa Spettri a righe UD8 Luce ed elettroni Spettri a righe: segnali dagli atomi Sappiamo che il modello di Rutherford non era completo, in quanto lelettrone, per continuare a ruotare attorno al nucleo, avrebbe dovuto emettere energia elettromagnetica, perdendo via via energia cinetica, fino a precipitare sul nucleo stesso annullandosi. In altre parole latomo, in un intervallo di tempo brevissimo, avrebbe dovuto perdere la propria stabilità, cosa che invece non accade.

18 18 mappa Spettri a righe Il modello, inoltre, non spiegava il comportamento degli elementi in fase gassosa che, se opportunamente stimolati, emettono luce. La sua scomposizione (spettro di emissione) rivelava infatti la presenza di poche righe soltanto, le cui frequenze erano diverse da elemento a elemento. UD8 Luce ed elettroni

19 19 mappa Spettri a righe Si era anche trovato che facendo passare una luce bianca, cioè policromatica, attraverso un campione gassoso di un elemento, questo assorbiva esattamente quelle frequenze che avrebbe emesso qualora fosse stato eccitato. Scomponendo la luce che aveva attraversato il campione, si osservava uno spettro continuo, solcato però da numerose righe nere corrispondenti alle frequenze assorbite: lo spettro di assorbimento. UD8 Luce ed elettroni

20 20 mappa Bohr Se un atomo emette o assorbe soltanto radiazioni di ben precisa frequenza, ciò indica che per i suoi elettroni è possibile ricevere o cedere esclusivamente determinate quantità di energia. In altre parole, gli elettroni possono solamente saltare tra alcuni stati energetici ben definiti e fissi, come se nellatomo esistessero dei gradini di energia. UD8 Luce ed elettroni La quantizzazione negli atomi: Niels Bohr Nel 1913, Niels Bohr si rese conto che le righe degli spettri di emissione o di assorbimento dellidrogeno e degli altri elementi erano segnali della quantità di energia posseduta dagli elettroni nei rispettivi atomi.

21 21 mappa Bohr Queste considerazioni condussero Bohr a proporre un nuovo modello atomico basandosi su due affermazioni che contrastavano con la meccanica classica. UD8 Luce ed elettroni Bohr afferma che: I raggi di tali orbite soddisfano tutti la relazione: r= a 0 ·n 2 dove a 0 = 5,3· m Al fattore n, un numero intero che può assumere tutti i valori compresi tra 1 e infinito (), Bohr diede il nome di numero quantico principale.

22 22 mappa Bohr Se introduciamo nella formula i possibili valori dei numeri quantici, si ottengono i raggi delle orbite permesse. UD8 Luce ed elettroni

23 23 mappa Bohr Il modello atomico di Bohr, dunque, mantiene la struttura planetaria già suggerita da Rutherford, con elettroni che girano intorno al nucleo, ma impone che soltanto alcune orbite siano percorribili. La distanza dal nucleo delle orbite permesse è quantizzata, cioè multiplo di un valore comune. UD8 Luce ed elettroni A partire dal valore del raggio di unorbita, Bohr calcolò lenergia posseduta da un elettrone su di essa. Anche le energie delle orbite risultano così quantizzate poiché dipendenti dal numero quantico principale. r1r1 r2r2 r3r3 r4r4

24 24 mappa Bohr Inoltre Bohr afferma che: UD8 Luce ed elettroni

25 25 A ogni differenza di energia tra le orbite corrisponde una diversa frequenza di emissione, e quindi una riga del relativo spettro, mappa Bohr UD8 Luce ed elettroni In pratica lelettrone occupa una ben definita orbita, che è la sua orbita fondamentale. Quando riceve energia dallesterno, passa a una delle orbite di energia superiore. Dopo un tempo brevissimo, lelettrone torna nella sua orbita fondamentale ed emette una radiazione elettromagnetica, la cui energia corrisponde esattamente alla differenza tra lenergia dellorbita occupata nello stato eccitato e quella dellorbita fondamentale.

26 26 mappa I valori trovati sperimentalmente per le righe di emissione avevano mostrato lesistenza di sette livelli energetici, via via più vicini tra loro, indicati secondo energie crescenti con le lettere K, L, M, N, O, P, Q. In realtà, esistono infiniti livelli di energia, ma dopo il settimo essi sono così ravvicinati da essere difficilmente distinguibili. Si dice che per quei valori di energia i livelli formano un continuum. In altre parole, un atomo di idrogeno eccitato, quando torna al suo stato fondamentale, dovrà emettere un fotone la cui energia sia esattamente uguale alla differenza tra quelle dei due stati tra i quali avviene la transizione. Bohr UD8 Luce ed elettroni

27 27 mappa Bohr-Sommerfeld La quantizzazione negli atomi: Sommerfeld Il modello atomico ideato da Bohr spiegava lo spettro dellidrogeno. Le frequenze delle righe ottenute sperimentalmente corrispondevano infatti a quelle calcolabili con la relazione ricavata dal fisico danese. Inoltre, pur non riuscendo a prevedere matematicamente le frequenze delle righe di atomi con più di un elettrone, il suo modello consentiva di spiegare perché elementi diversi emettevano radiazioni di differente frequenza. UD8 Luce ed elettroni

28 28 mappa Bohr-Sommerfeld Le frequenze delle radiazioni emesse o assorbite, infatti, dipendono dalle energie delle orbite interessate al salto elettronico, il cui raggio varia da elemento a elemento a causa del diverso numero di protoni ed elettroni dei loro atomi. Per vederlo, si possono per esempio bagnare con acido cloridrico i composti di alcuni metalli, il che li rende facilmente volatilizzabili alla fiamma del bunsen. Il calore eccita allora gli elettroni che, tornando nella loro orbita fondamentale, conferiscono alla fiamma colorazioni caratteristiche, dovute alle diverse frequenze dei fotoni rilasciati. UD8 Luce ed elettroni

29 29 mappa Bohr-Sommerfeld Successivamente, utilizzando strumenti più perfezionati, si scoprì che le righe degli spettri sono in realtà costituite da gruppi di righe più sottili. Per spiegarlo, il fisico tedesco Arnold Sommerfeld ( ) estese il primo postulato di Bohr con una nuova condizione: In sostanza, agli elettroni sono permesse orbite non solo circolari, ma anche ellittiche, per le quali sono consentite ben definite orientazioni spaziali. UD8 Luce ed elettroni

30 30 mappa Bohr-Sommerfeld Ogni orbita ha un valore di energia suo proprio, che può essere rappresentato con lintroduzione di due nuovi numeri quantici: uno collegato alla forma dellorbita e uno alla sua orientazione spaziale. Nellatomo si individuano quindi diversi livelli di energia, a ciascuno dei quali appartengono una o (a partire dal secondo livello) più orbite (o sottolivelli) vicine tra loro che gli elettroni possono percorrere. In seguito, altri problemi nellinterpretazione degli spettri imposero lintroduzione, dovuta a Wolfgang Pauli ( ), di un nuovo numero quantico, collegato alla rotazione dellelettrone su sé stesso (spin), fenomeno che influisce sullenergia dellorbita. Il nuovo modello atomico che si ottenne dalla quantizzazione della forma e dellorientazione delle orbite, conosciuto come modello di Bohr-Sommerfeld, costituiva un passo in avanti rispetto al modello di Bohr ma lasciava ancora molti problemi irrisolti: spiegava solo parzialmente, per esempio, gli spettri di atomi con più elettroni. UD8 Luce ed elettroni

31 31 mappa E. ionizzazione Le energie di ionizzazione: la conferma dei livelli di energia Le conclusioni cui erano arrivati Bohr e Sommerfeld, in base alle quali gli elettroni di un atomo possiedono una differente energia in funzione della loro distanza dal nucleo, furono avvalorate da ricerche completamente diverse. In un atomo, elettroni e nucleo hanno carica elettrica opposta e si attraggono perciò reciprocamente, per la forza di Coulomb, con unintensità inversamente proporzionale alla loro distanza. Quanto più un elettrone dista dal nucleo, dunque, tanto più debolmente è a esso legato. UD8 Luce ed elettroni

32 32 mappa E. ionizzazione Lenergia di ionizzazione di un atomo si può misurare con lapparecchio riportato. In esso un filamento di tungsteno (W) viene riscaldato dal passaggio di corrente ed emette elettroni che vengono accelerati da una griglia (F), a cui può essere applicata una differenza di potenziale a piacere. Dentro al tubo sono contenuti atomi isolati dellelemento che si vuole studiare. Quando lenergia degli elettroni incidenti è sufficientemente elevata, essi sono in grado di staccare dallatomo in esame lelettrone più esterno, cioè quello più facilmente allontanabile. Si forma così un fascio di atomi privati di un elettrone e dotati perciò di carica positiva (ioni positivi o cationi). La loro presenza provoca un passaggio di corrente elettrica, che viene registrato da un galvanometro. Variando il potenziale imposto alla griglia, è possibile osservare a quale valore si ha passaggio di corrente tra gli estremi del tubo catodico e calcolare pertanto lenergia che gli elettroni incidenti devono avere per ionizzare latomo esaminato. UD8 Luce ed elettroni

33 33 mappa E. ionizzazione In modo analogo, si possono determinare le energie necessarie (seconda ionizzazione, terza ionizzazione e così via) per strapparne anche tutti gli altri elettroni. Le energie di ionizzazione determinate sperimentalmente per un dato elemento presentano valori progressivamente crescenti, come è logico attendersi. Gli elettroni strappati in successione sono infatti sempre più vicini al nucleo e quindi più fortemente legati a esso. Su di loro inoltre agisce una carica positiva residua sempre maggiore, perché sempre maggiore è il numero dei protoni non più bilanciati dagli elettroni che sono stati allontanati. UD8 Luce ed elettroni

34 34 mappa E. ionizzazione Analizziamo i valori delle energie di ionizzazione dei dodici elettroni del magnesio e mettiamoli in grafico (usando per poterlo rappresentare più facilmente, le radici quadrate delle energie). Si può osservare che le prime due ionizzazioni, cioè lallontanamento dei due elettroni più esterni, richiedono energie simili. Con il terzo valore, lenergia necessaria si impenna bruscamente per poi crescere in maniera lineare per lallontanamento di ognuno di altri sette elettroni. Un nuovo brusco salto si verifica quando si considerano le energie di ionizzazione degli ultimi due elettroni. UD8 Luce ed elettroni

35 35 mappa E. ionizzazione Linterpretazione dei dati sperimentali ci porta a concludere che i dodici elettroni del magnesio sono suddivisi in tre livelli di energia: due elettroni appartengono al primo livello, il più vicino al nucleo, otto sono nel secondo livello, intermedio, e due stanno nel terzo livello, quello più esterno. UD8 Luce ed elettroni

36 36 mappa E. ionizzazione Ripetendo le misurazioni per altri elementi, troviamo che si ripropone landamento delle energie di ionizzazione trovato per il magnesio. UD8 Luce ed elettroni

37 37 mappa E. ionizzazione Ecco i valori fino al calcio: riconosciamo landamento tipico delle energie di ionizzazione: si riscontra cioè sempre una crescita progressiva delle energie di ionizzazione, intervallata da salti bruschi. UD8 Luce ed elettroni

38 38 mappa E. ionizzazione In altre parole, resta confermato quanto già indicato da Bohr con il numero quantico principale. Inoltre se soffermiamo lattenzione sugli otto elettroni del livello energetico contraddistinto da n = 2, è possibile fare una ulteriore suddivisione. Considerando per esempio le energie di ionizzazione degli elettroni da 3 a 10 del neon, si nota che gli ultimi due elettroni presentano valori di energia non in linea con i primi sei. UD8 Luce ed elettroni

39 39 mappa E. ionizzazione Allinterno di uno stesso livello vi sono dunque due gruppi di elettroni che si differenziano per i valori di energia posseduta. I due gruppi individuano così due sottolivelli la cui presenza era già stata determinata da Sommerfeld quando aveva introdotto un nuovo numero quantico collegato alla forma delle orbite degli elettroni di un dato livello di energia. Unanalisi estesa a tutti gli elementi noti ci permette di stabilire che: elettrone energia richiestaEnergia UD8 Luce ed elettroni

40 40 mappa E. ionizzazione Esiste pertanto un solo sottolivello per il primo livello di energia (n = 1) che in totale può ospitare due elettroni. Nel secondo livello (n = 2), invece, possono stare al massimo otto elettroni (2 · 2 2 ) distribuiti in due sottolivelli. Nel terzo livello (n = 3) trovano posto tre sottolivelli, per un massimo di 18 elettroni, quattro nel quarto, per complessivi 32 elettroni e così via. I sottolivelli vengono contraddistinti con un numero che indica il livello di energia e una lettera che indica il sottolivello. Nelle normali condizioni, cioè per atomi privi di elettroni eccitati, risultano popolati però solo i sottolivelli indicati in tabella. UD8 Luce ed elettroni


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