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Tappe fondamentali della materia L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 1 La seguente presentazione è stata ideata per offrire agli studenti una sintesi.

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1 Tappe fondamentali della materia L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 1 La seguente presentazione è stata ideata per offrire agli studenti una sintesi dei più importanti fenomeni riguardanti lelettromagnetismo. La presente non deve sostituirsi al testo, che va studiato accuratamente, ma intende focalizzare lattenzione sui concetti più importanti. Le immagini ed il testo sono stati reperiti in rete o sono stati modificati da libri per i licei scientifici o per lUniversità e vengono utilizzati per lelevato contenuto didattico.

2 Tappe fondamentali nella materia L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 2 Teoria atomica di Dalton Esperimento di Thomson e tubo catodico Modello atomico di Thomson Esperimento di Millikan Esperimento di Rutherford Modello atomico di Rutherford Modello atomico di Bohr Struttura nucleare

3 Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1803) rapporti di massa Scoperta dellelettricità (Volta - Nicholson - Faraday, ~ ) elettrolisi Scoperta dellelettrone - raggi catodici (Goldstein, 1876, Thomson, 1897); - Scoperta dellelettrone - raggi catodici (Crookes, 1879) - e - /m (Thomson, 1897) - e - (Millikan, 1906) Scoperta del protone - raggi anodici (Goldstein, 1886); - Scoperta del protone - massa del protone (Dempster, Aston, ) Scoperta della radioattività - (Becquerel, P.&M. Curie, ) Scoperta del neutrone - (Bothe, Becher 1930; Chadwick, 1932) Tappe fondamentali nella materia L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 3

4 Modelli atomici L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 4 Dalton (1808) Thomson ( ) Rutherford (1911) Bohr (1913) Sommerfeld (1915) Goudsmit-Uhlembeck (1916) Shrödinger (1927)

5 Teoria atomica di Dalton (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 5 J.Dalton all'inizio del 1900, attraverso le 3 leggi della chimica: 1.la legge della conservazione della massa 2. la legge delle proporzioni definite, alle quali aggiunse quella da lui stesso formulata: 3. la legge delle proporzioni multiple, arrivò alla conclusione che: la materia é discontinua, cioè è formata da particelle.

6 Teoria atomica di Dalton (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 6 Sulla base di queste tre leggi Dalton nel 1803 formulò la prima teoria atomica della materia: 1.Tutta la materia è composta da atomi indivisibili. Un atomo è una particella estremamente piccola che mantiene la sua identità durante le reazioni chimiche. 2.Un elemento è un tipo di materia composto da un solo tipo di atomo. Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà. 3.Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse. Due tipi di atomi in un composto si legano in proporzioni espresse da numeri semplici interi. 4.Una reazione chimica consiste nella ricombinazione degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo da dare nuove combinazioni chimiche presenti nelle sostanze formate dalla reazione.

7 Teoria atomica di Dalton (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 7 Pertanto: La materia non é continua, ma é composta da particelle che non possono essere ulteriormente divisibili né trasformabili, gli atomi. Gli atomi di un particolare elemento sono tutti uguali tra loro e hanno la stessa massa. Gli atomi di elementi diversi hanno massa e proprietà differenti; Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non tra frazioni di essi; In una reazione chimica tra due o più elementi gli atomi, pur conservando la propria identità, si combinano secondo rapporti definiti dando luogo a composti.

8 La scoperta degli elettroni L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 8 William Crookes ( ): i raggi catodici

9 Raggi catodici L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 9

10 Thomson L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 10 Nel 1897 il fisico Joseph Thomson calcolò il rapporto tra carica e massa dellelettrone Nel 1897 Thomson scoprì lelettrone

11 Tubo di Thomson L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 11 Tubo di Goldstein - Tubo di Thomson: i Raggi Positivi e/m varia con la natura del gas presente nel tubo

12 Esperimento di Thomson (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 12 La deviazione di un raggio catodico da parte di un campo elettrico. La deviazione di un raggio catodico da parte di un campo magnetico.

13 Esperimento di Thomson (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 13 Thomson nel 1897, alla luce della teoria elettromagnetica elaborata da Maxwell il quale sosteneva che tutti gli effetti magnetici sono legati ad effetti elettrici, tramite un tubo catodico, in cui le particelle cariche (elettroni) possono essere accelerate, si propose di misurare il rapporto tra la carica (e) e la sua massa (m), cioè: e/m

14 Esperimento di Thomson (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 14 Misura del rapporto carica/massa dell'elettrone: Nel tubo di Thomson viene fatto il vuoto. Alle estremità del tubo sono applicati due elettrodi ed un alto voltaggio. Dall'elettrodo negativo (catodo) si dipartono dei raggi detti raggi catodici. Thomson dimostrò che tali raggi sono costituiti da un flusso di particelle cariche negativamente che chiamò elettroni. Il fascio di raggi catodici attraversa un campo elettrico e un campo magnetico. L'esperimento è predisposto in modo che il campo elettrico devii il fascio in una direzione, mentre il campo magnetico lo devia nella direzione opposta, in quanto il fascio è sottoposto alla forza di Lorentz che lo curva. Bilanciando gli effetti è possibile determinare il rapporto carica/massa dell'elettrone.

15 Esperimento di Thomson (4) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 15 Un pennello di raggi catodici emesso dal catodo C e focalizzato in A 1 e A 2 passa tra gli elettrodi P 1 e P 2 fra cui esiste un campo elettrico E y. Un campo magnetico B z viene creato da bobine esterne al tubo ed è perpendicolare al campo elettrico e diretto lungo lasse z. C A1A2 P1 P2 Ey Bz asse z asse x asse y

16 Esperimento di Thomson (5) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 16 Gli elettroni di un fascio di raggi catodici, sottoposti ad un campo elettrico E y sono soggetti a una forza: sottoposti a un campo magnetico B z sono soggetti ad una forza: dove B z è il campo magnetico e v x la velocità dell'elettrone. Il prodotto vettoriale è un vettore perpendicolare a v x e a B z, di modulo (dove è l'angolo compreso tra vx e Bz) e diretto lungo lasse y. Ognuna di queste forze produce una deviazione secondo la legge di Newton: dove m e a y sono rispettivamente la massa e l'accelerazione della particella. Ora rimuoviamo il campo magnetico: Le particelle di velocità costante v x vengono deflesse dal campo elettrico. Laccelerazione che acquistano per un intervallo di tempo è:

17 Esperimento di Thomson (6) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 17 da cui si può ricavare il rapporto e/m conoscendo lo spostamento y1. Se ora si manda lo stesso fascio di velocità nota in un campo magnetico Bz uniforme perpendicolare alla velocità, esso subisce una forza FB perpendicolare alla propria velocità vx, che determina unaccelerazione centripeta e quindi un moto circolare uniforme. Poiché, quindi, nota la velocità, si può ricavare il rapporto e/m: Thomson misurò il rapporto carica/massa dellelettrone

18 Modello atomico di Thomson (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 18 Modello a panettone Dopo aver scoperto l'elettrone, sulla base dei suoi esperimenti, Thomson formulò il modello atomico detto a panettone:

19 Modello atomico di Thomson (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 19 Secondo la sua teoria: La carica positiva era distribuita uniformemente in tutto latomo (di dimensioni dell'ordine di m) in cui erano immersi gli elettroni (come luvetta nel panettone) Latomo era stabile poiché la repulsione coulombiana fra gli elettroni era bilanciata dalla carica positiva.

20 Millikan L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 20 Robert Andrews Millikan ( ) con lesperimento della goccia cadente (1909) misurò la carica dellelettrone: Millikan dimostrò la struttura discreta dellelettricità: Tutte le cariche sono multiplo di una carica elementare minima, assunta come carica dellelettrone: la carica elettrica è quantizzata e = 1, C

21 Esperimento di Millikan (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 21 n Lapparato è costituito da un condensatore, allinterno del quale vengono spruzzate delle goccioline dolio, che passando attraverso un condotto in cui una sorgente di raggi X, ionizza le goccioline ed esse acquistano una carica elettrica. n Dallo studio della caduta di queste gocce si risale alla quantità di carica che esse hanno acquistato. n La forza totale agente sulla gocciolina è la somma vettoriale della forza di gravità (verso il basso), della spinta di Archimede e della resistenza dellaria (verso lalto). Fissiamo un sistema di riferimento con lasse y verso il basso, possiamo scrivere, una volta raggiunta la situazione di regime: ( v = costante, ossia F = 0 )

22 Esperimento di Millikan (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 22 Raggio r della goccia dolio A: Moto in assenza di campo elettrico:

23 Esperimento di Millikan (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 23 B: Moto in presenza di campo elettrico: Una gocciolina può mantenersi sospesa quando: la risultante delle forze applicate alla gocciolina e forza elettrica si compensano. (il segno della ddp è tale che anche la forza elettrica è diretta verso il basso). Sostituendo il valore di r determinato nella parte A e misurando il valore della velocità v, si ricava il valore di q:

24 Esperimento di Millikan (4) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 24 I valori trovati da Millikan dimostrarono che e = 1, C la carica q è sempre un multiplo intero di una carica fondamentale e = 1, C. Questa carica fondamentale è la carica dellelettrone.

25 Esperimento di Millikan (5) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 25 Thomson aveva calcolato: e/m= 1, C/Kg Millikan aveva trovato: e = 1, C da cui si dedusse che la massa dellelettrone: m= 9, Kg Un valore circa 1836 volte più piccolo della massa del protone (cioè della massa del protone).

26 Rutherford L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 26 Ernest Rutherford ( ) "Nella scienza esiste solo la Fisica; tutto il resto è collezione di francobolli. Questa è l'ironica affermazione che ha reso celebre il fisico neozelandese, premio Nobel per la Chimica nel A lui è dedicato: -l'elemento chimico Ruterfordio(Rf), -un cratere su Marte ed uno sulla Luna. Rutherford è considerato il padre della Fisica Nucleare ed il precursore della teoria orbitale dell'atomo.

27 Esperimento di Rutherford (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 27 L'esperimento di Rutherford

28 Esperimento di Rutherford (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 28 Esperimento (1909) Rutherford bombardò una sottile lamina d'oro, materiale scelto per la duttilità e malleabilità, con particelle alfa (particelle α), : - nuclei di elio privati dei loro elettroni: - composti da 2 neutroni e 2 protoni hanno perciò carica positiva +2e, - interagiscono repulsivamente con i nuclei del materiale).

29 Esperimento di Rutherford (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 29 Thomson Rutherford Esperimento di Rutherford: quasi tutte le particelle alfa oltrepassano lo spazio vuoto dellatomo della lamina, poche particelle alfa vengono deflesse dal campo elettrico del nucleo con angoli maggiori rispetto allipotesi di Thomson, Altre particelle vengono addirittura respinte.

30 Modello atomico di Rutherford (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 30 Modello planetario (1911) Sulla base dei risulati sperimentali, Rutherford afferma che: la carica positiva di un atomo è concentrata solo nel centro dellatomo in un piccolo volume, detto nucleo. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo, così come i pianeti ruotano attorno al Sole. La carica positiva non è distribuita uniformemente come nel modello di Thomson. Gli atomi sono quindi costituiti da un nucleo piccolo e massivo dove è concentrata la carica positiva, circondato da cariche negative sparse in un grande volume. Atomo di elio. Attorno al nucleo, composto da due neutroni (in verde) e due protoni (in rosso), ruotano gli elettroni (in giallo).

31 Modello atomico di Rutherford (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 31 Dimensioni atomiche: circa 1 Å = m Dimensioni nucleari: circa Å = m La maggior parte dell'atomo è vuoto Quasi tutta la massa atomica è quindi concentrata nel nucleo

32 Modello atomico di Rutherford (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 32

33 Modello atomico di Rutherford (4) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 33 Atomo di elio He

34 Modello atomico di Rutherford (5) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 34 Limiti alla teoria di Rutherford: Gli elettroni, oscillando attorno alla loro posizione di equilibrio e girando attorno al nucleo, per le leggi di Maxwell e di Hertz, avrebbero dovuto emettere una radiazione elettromagnetica, e quindi ridurre la loro energia. Gli elettroni perderebbero rapidamente la loro energia irradiandola e quindi cadrebbero a spirale verso il nucleo, cioè collasserebbero sul nucleo. Ma gli atomi sono stabili! Come mai?

35 Bohr L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 35 Niels Bohr nacque a Copenhagen nel Suo padre, Christian Bohr, era professore alla facoltà di Fisiologia all'Università di Copenaghen, mentre sua madre, Ellen Adler Bohr, veniva da una ricca famiglia ebrea, assai importante nel mondo bancario danese e in parlamento. Suo fratello, Harald Bohr, era un matematico e calciatore della nazionale danese, convocato alle Olimpiadi. Anche Niels era un calciatore dilettante, e giocò per un periodo insieme al fratello in una delle squadre di Copenaghen. Bohr si laureò allUniversità di Copenhagen nel Si trasferì poi allUniversità di Manchester (UK), dove studiò con Ernest Rutherford. Bohr ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1922.

36 Modello atomico di Bohr (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 36 Bohr modifica il precedente modello atomico partendo dai seguenti postulati: 1.lelettrone sottoposto alla forza di Coulomb descrive orbite circolari intorno al nucleo 2.sono possibili solo quelle orbite per le quali il momento angolare (che per orbite circolari vale L = rmv) è: 3.nonostante le - sia accelerato non emette energia 4.lenergia viene emessa quando lelettrone compie una transizione da un livello allaltro

37 Modello atomico di Bohr (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 37 Il momento angolare L è quantizzato poiché è proporzionale a n (che è un numero naturale). Lo stesso si può dire di tutte le altre grandezze, infatti dal sistema: si ricava:

38 Modello atomico di Bohr (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag ,6 eV

39 Modello atomico di Bohr (4) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 39

40 Atomi di diversi elementi Modello atomico di Bohr (5) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 40 Emissione di luce dagli atomi diversa Spettri con righe diverse Diversi livelli energetici a seconda dellatomo

41 Struttura nucleare (1) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 41 Ogni elemento è caratterizzato da una carica nucleare tipica che è un multiplo della carica elettronica e. Questo multiplo viene indicato con la lettera Z. Ad ogni Z corrisponde un atomo H Z=1 He Z=2 Li Z=3 Nell'atomo neutro attorno a tale nucleo si muovono Z elettroni. Un nucleo è costituito da due tipi di particelle: Protoni carica +e massa 1831 volte quella dell'elettrone Neutroni carica 0 massa 1831 volte quella dell'elettrone

42 Struttura nucleare (2) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 42 Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri Un numero atomico Z numero di protoni Un numero di massa A numero di protoni + numero di neutroni Un nucleo particolare caratterizzato da Z e da A è anche chiamato nuclide e rappresentato con la seguente notazione: Numero di massa Numero atomico Z=11 11 protoni (definisce l'elemento Na) A= = 12 neutroni

43 Struttura nucleare (3) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 43 Atomi i cui nuclei hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi. Ad esempio l'idrogeno ha tre isotopi: idrogeno 1 protone nessun neutrone deuterio 1 protone 1 neutrone trizio 1 protone 2 neutroni Gli elementi presenti in natura sono in genere miscele di isotopi: Cloro 75,8 % 24,2 % Abbondanza relativa: frazione del numero totale di atomi di un dato isotopo.

44 Struttura nucleare (4) L.S.G. Oberdan C.Pocecco Materia pag. 44 Il postulato di Dalton rimane valido se si fa riferimento ad una massa media: infatti la composizione isotopica rimane costante. Il postulato di Dalton ?


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