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CHIMICA FISICA modulo B Gabriele Morosi 031-2386634 scienze-como.uninsubria.it/morosi/didattica.html.

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Presentazione sul tema: "CHIMICA FISICA modulo B Gabriele Morosi 031-2386634 scienze-como.uninsubria.it/morosi/didattica.html."— Transcript della presentazione:

1 CHIMICA FISICA modulo B Gabriele Morosi scienze-como.uninsubria.it/morosi/didattica.html

2 OGGETTO DEL CORSO: Interpretazione teorica dei fenomeni chimici: struttura e proprietà della materia Studio dei principi, delle leggi e delle teorie

3 Capitoli 7 – 10 Fondamenti della meccanica quantistica Struttura atomica e spettri atomici Struttura molecolare Capitoli 12 – 14 Spettroscopia molecolare

4 Osservazione di analogie tra i fenomeni Linguaggio chimico di interpretazione dei fenomeni mediante i concetti di acido-base, elettronegatività, lorganizzazione degli elementi nella tavola periodica, …. Leggi della fisica Particelle (elettroni e nuclei) ed interazioni tra le particelle INTERPRETAZIONE DEI FENOMENI CHIMICI

5 FISICA CLASSICA PARTICELLE Discrete Localizzate Posizione e Momento ONDE Continue Non localizzate Frequenza 2 entità separate

6 PARTICELLE r 2. Position r Massa Velocità 1.Massa m 2.Posizione r 3.Velocità v Posizione

7 MECCANICA CLASSICA Introdotta nel 17 esimo secolo da Newton Sir Isaac Newton 1.Una particella non soggetta a forze esterne permane nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme 2.F = m a 3.Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria

8 Energia totale Energia totale di una particella di massa m, con posizione r e velocità v Energia cinetica Energia posseduta come risultato del moto Energia potenziale Energia posseduta come risultato della posizione

9 Energia cinetica e momento lineare Lenergia cinetica può essere scritta in funzione della velocità: oppure in funzione del momento lineare:

10 Una particella che si muove in un campo di energia potenziale V è soggetta ad una forza F Forza in una dimensione Forza nella direzione di energia potenziale decrescente Energia potenziale e forza

11 Lespressione dellenergia totale in termini di energia cinetica espressa in termini del momento lineare e di energia potenziale LHamiltoniano ha una speciale importanza nella trasformazione da meccanica classica a meccanica quantistica è detta Hamiltoniano Hamiltoniano classico

12 Da questa equazione si ricava che la particella ha una traiettoria definita ha una posizione ed un momento definiti ad ogni istante Particella libera di muoversi in una direzione (asse x) in una regione in cui il potenziale V(x) = 0

13 Seconda legge di Newton Sia una particella ferma al tempo zero v(0) = 0 e soggetta ad una forza costante per un tempo F e possono variare a piacimento lEnergia può assumere qualunque valore

14 Energia: varia in modo continuo Traiettoria: posizione e velocità in funzione del tempo Conoscendo la posizione e la velocità di tutte le particelle e le forze che agiscono su di esse ad un dato tempo, il futuro può essere predetto mediante la legge di Newton. E capace di spiegare il moto degli oggetti macroscopici Meccanica classica : deterministica continua

15 Determinismo della Meccanica Classica Supponiamo che le posizioni e le velocità di tutte le particelle nelluniverso siano misurate con sufficiente accuratezza ad un particolare istante E possibile predire i moti di ogni particella a qualsiasi tempo nel futuro (o nel passato) Un essere intelligente che conosca, ad un dato istante di tempo, tutte le forze che agiscono nella natura, così come la posizione istantanea di tutte le cose di cui l'universo è composto, sarebbe in grado di comprendere i moti dei corpi più grandi del mondo come quelli dei più piccoli atomi in una formula unica, a condizione che sia sufficientemente potente da assoggettare tutti i dati ad analisi; a lui, nulla sarebbe incerto, sia il futuro che il passato sarebbero presenti davanti ai suoi occhi. Pierre Simon Laplace

16 Ruolo dellOsservatore L'osservatore è oggettivo e passivo Gli eventi fisici avvengono indipendentemente dal fatto che vi sia un osservatore o no Questo è noto come realtà oggettiva

17 ONDE Onda: una perturbazione che si propaga attraverso un mezzo (acqua, corda,…) o nel vuoto (onde elettromagnetiche) con una velocità finita trasferendo energia da un punto ad un altro.

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19 DIFFRAZIONE Si ha diffrazione quando un fronte donda investe un ostacolo Al di la dellostacolo la propagazione non è più rettilinea

20 DIFFRAZIONE DA SINGOLA FENDITURA

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22 DIFFRAZIONE DA DOPPIA FENDITURA

23 Onde in fase: Interferenza costruttiva Onde in opposizione di fase: Interferenza distruttiva

24 Particelle e onde: differenze di comportamento PARTICELLE Quando collidono non possono attraversarsi, ma rimbalzano o si frantumano Prima della collisione Dopo la collisione

25 ONDE Possono sovrapporsi Quando si sovrappongono possono rafforzarsi o cancellarsi Poi ritornano alla forma originale

26 Meccanica Elettricità Calore Ottica

27 FISICA CLASSICA Fallisce se applicata a particelle su scala atomica Descrive con successo oggetti macroscopici Esistono fenomeni che non si possono spiegare con la fisica classica Radiazione di corpo nero Capacità termica dei solidi Spettri atomici Effetto fotoelettrico MECCANICA QUANTISTICA

28 La meccanica classica Particelle Onde Energia varia in modo continuo La meccanica quantistica (nasce negli anni venti del secolo scorso) Base della meccanica quantistica: lenergia è quantizzata, ha valori discreti Le particelle hanno caratteristiche anche di onde e le onde hanno caratteristiche anche di particelle Le origini della Meccanica quantistica

29 Meccanica Quantistica: quando? 1 metromeccanica classica 1 micrometro meccanica classica 1 millimetro meccanica classica 1 nanometromeccanica quantistica

30 RADIAZIONE DI CORPO NERO Gli oggetti caldi emettono radiazione elettromagnetica –Esempio: un pezzo di Fe riscaldato appare dapprima rosso scuro, poi giallo chiaro fino ad apparire quasi bianco Per descrivere questo fenomeno occorre introdurre la meccanica quantistica

31 lunghezza donda (nm) RADIAZIONE EMESSA DALLE STELLE

32 DISTRIBUZIONE SPETTRALE lunghezza donda [nm] densità di energia [J m -4 ]

33 CORPO NERO Corpo immaginario Freddo assorbe tutta la radiazione incidente Caldo emette radiazione con efficienza 100 %

34 MODELLO DI CORPO NERO Tutta la radiazione che entra attraverso il foro viene assorbita La radiazione emessa dipende solo dalla temperatura della scatola

35 Contenitore a temperatura T Foro Radiazione Ogni radiazione emessa viene riflessa molte volte prime di uscire attraverso il foro La radiazione emessa è quindi in equilibrio termico con le pareti alla temperatura T

36 Stazione radio Campo elettromagnetico (onde radio) Antenna con distribuzione di cariche elettriche variabile nel tempo CARICHE OSCILLANTI E CAMPI ELETTROMAGNETICI

37 Campo elettromagnetico: collezione di tutte le possibili frequenze (onde stazionarie) La presenza di radiazione di frequenza significa che loscillatore che emette quella frequenza è stato eccitato

38 Oscillatore armonico Radiazione assorbita ed emessa Principio di equipartizione Lenergia disponibile alla temperatura T viene ripartita in modo uguale tra tutti gli oscillatori e tutti emettono radiazione.

39 Secondo la fisica classica, anche oggetti freddi dovrebbero irradiare nelle regioni del visibile e UV CATASTROFE ULTRAVIOLETTA Origine del problema: ipotesi che lenergia degli oscillatori possa variare in maniera continua assumendo qualsiasi valore.

40 Max Planck 1900 Planck ipotizzò che lenergia degli oscillatori avesse valori discreti quantizzazione dellenergia E = n h con n intero n = 1, 2, … h = J s h costante di Planck

41 Distribuzione di Planck Riproduce il dato sperimentale Prima evidenza della quantizzazione dellenergia Densità di energia

42 CAPACITA TERMICA DEI SOLIDI Dulong-Petit Modello del solido: atomi come oscillatori classici indipendenti Energia kT per grado di libertà 3kT per atomo 3RT per mole U = 3RT C v = 3 R ~ 25 J/K mole indipendente da T CvCv C v /R Ad alte temperature

43 A basse temperature T (K) C v /R Ge Si

44 A bassa temperatura Einstein atomi come oscillatori quantistici indipendenti. unica ed identica per tutti gli atomi. A basse temperature solo una frazione degli oscillatori è attiva

45 Accordo qualitativo Risultato non quantitativo Debye: atomi come oscillatori quantistici interagenti

46 SPETTRI ATOMICI E MOLECOLARI E MOLECOLARI Spettro di emissione Spettro continuo Spettro di emissione Spettro di assorbimento

47 Fe SO 2 Intensità di emissione Intensità di assorbimento λ/nm

48 Un elettrone in moto attorno al nucleo Moto circolare : lelettrone accelera Cariche accelerate emettono radiazione Lelettrone perde energia Cade sul nucleo in circa secondi Variando il moto la frequenza emessa varia con continuità Il modello planetario non conduce ad atomi stabili +Ze -e F Atomo e Fisica Classica

49 Le linee dello spettro appaiono perché la molecola emette un fotone passando da un livello energetico discreto ad un altro livello E = h

50 CONCLUSIONE ENERGIA QUANTIZZATA


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