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ONDE ELETTROMAGNETICHE. UN CAMPO ELETTRICO E GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO; corrente campo magnetico + campo elettrico QUANDO ESSE.

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1 ONDE ELETTROMAGNETICHE

2 UN CAMPO ELETTRICO E GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO; corrente campo magnetico + campo elettrico QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO MAGNETICO QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICO UNA CARICA ELETTRICA IN MOTO EMETTE O ASSORBE ONDE ELETTROMAGNETICHE QUANDO E SOGGETTA AD ACCELERAZIONI VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE NEL TEMPO GENERA UN CAMPO ELETTRICO

3 Dalla risoluzione delle equazioni di Maxwell risulta che: E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto alla velocità della luce C = 3*10 8 m/s ONDE ELETTROMAGNETICHE LE PROPRIETA' DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE E DELLA LORO PROPAGAZIONE SONO SINTETIZZATE NELLE EQUAZIONI DI MAXWELL

4 Onda Perturbazione dello stato di un corpo o di un campo dovuto al trasporto di energia. Le onde acustiche trasmettono energia al mezzo in cui si propagano attraverso il moto vibrazionale delle molecole. A vibrare sono i vettori posizione, velocità e accelerazione. Le onde elettromagnetiche trasmettono energia perturbando lo stato del campo elettromagnetico. A vibrare sono i campi elettrici e magnetici. Onda periodica Onda che presenta la stessa configurazione in intervalli successivi. Unonda sinusoidale è unonda periodica la cui descrizione è data da una funzione trigonometrica. CHE COSA E' UN' ONDA?

5 Lunghezza donda [m] ( ) Distanza, in unonda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale). Frequenza [Hz=s -1 ] (f oppure ) Numero di ripetizioni di unonda nellunità di tempo. Ampiezza (A) Legata alla quantità di energia trasportata. Periodo [s] (T) Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali. Velocità [m/s] (v) Velocità di movimento del fronte donda. COME si CARATTERIZZA UN'ONDA

6 Esercizio: calcolare la frequenza corrispondente ad unonda di periodo 10 msec [f=100 Hz] Esercizio: calcolare la corrispondente lunghezza donda sapendo che la velocità di propagazione è 340 m/s [λ = 3.4 m]

7 ONDE MECCANICHE

8 ONDE MECCANICHE: onde acustiche

9 ONDE SONORE orecchio umano sensibilità 20 Hz < f < Hz infrasuoni ultrasuoni v = f v aria = 344 m s –1 v H2O = 1450 m s – m < < 1.72 cm 72.5 m < < 7.25 cm

10 Velocita' di progazione delle onde acustiche

11 disegno ONDE ELETTROMAGNETICHE Vibrazione dei campi elettrico e magnetico Intensità: lenergia che unonda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo di tempo t: I=E/(A*t) (W/m 2 )

12 Esercizio: calcolare la lunghezza donda di unonda elettromagnetica di frequenza 6x10 14 Hz [500 nm]

13 correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz SPETTRO ELETTROMAGNETICO

14 Ogni tentativo di applicare le leggi della meccanica classica e dellelettromagnetismo a atomi e molecole e risultato infruttuoso Meccanica quantistica (orbitali, legami, quantizzazione orbite) Planck: scambi di energia su scala atomica avvengono solo per quantità molto piccole ma irriducibili dette quanti Einstein: fotone, particella priva di massa con energia e quantità di moto definite A qualsiasi frequenza le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse e assorbite sotto forma di fotoni

15 TEORIA DEI QUANTI Lo studio dellinterazione tra le onde elettromagnetiche e gli atomi e le molecole ha condotto alla scoperta di proprietà corpuscolari delle onde elettromagnetiche

16 Esercizio: quanto vale lenergia trasportata da un fotone di lunghezza donda 600 nm [E= 2 eV]

17 NUCLEO E FORZA NUCLEARE

18 L ATOMO NUCLEONI Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI) NUCLEO costituiscono il NUCLEO dellatomo, attorno al nucleo sono disposti su differenti orbite gli elettroni (e) X Z : NUMERO ATOMICO numero dei protoni e degli elettroni dellatomo A: NUMERO DI MASSA numero dei protoni + neutroni presenti nellatomo Raggio del nucleo m = 1fm

19 TRANSIZIONI ATOMICHE Gli elettroni sono legati nellatomo, ovvero la transizione di un elettrone a un qualsiasi livello diverso da quello fondamentale avviene al prezzo della somministrazione di una quantita di energia pari alla differenza energetica tra i due livelli, mentre lelettrone si libera dallatomo solo fornendo unenergia pari all energia di legame.

20 La forza di attrazione coulombiana tra due protoni nel nucleo vale circa 25 kg peso. La forza di gravita tra le masse protoniche e attrattiva ma totalmente insufficiente ad opporsi alla repulsione coulombiana: alle distanze nucleari e dellordine di dyne. E necessario ipotizzare lesistenza di una forza attrattiva che agisce solo nel nucleo (a breve raggio dazione dunque) e molto intensa. Questa forza e chiamata forza nucleare forte. Nei nuclei agisce anche una seconda forza nucleare, chiamata forza nucleare debole, responsabile di alcuni fenomeni nucleari come certi decadimenti radioattivi.

21 LA FORZA NUCLEARE FORTE Energia potenziale nucleare in funzione della distanza di separazione nucleone-nucleone Raggio del nucleo m= 1fm r (fm) forza repulsivaforza attrattiva U(r) Raggio del nucleo m = 1fm

22 UNITA DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA Usualmente si misurano le masse degli atomi in UNITA DI MASSA ATOMICA a.m.u. che è 1/12 della massa di 1 atomo di 12 C 1 a.m.u.=( 1.99* g) / 12 = 1.66* g m p = a.m.u. m n = a.m.u. m e = a.m.u. Per un generico atomo di numero atomico Z e numero di massa A M(a.m.u.) = Z m p + (A-Z) m n + Z m e Esercizio: quanto vale la massa del 17 O espressa in a.m.u.? [ ]

23 La massa del 17 O, calcolata a partire dalle singole masse atomiche dei suoi costituenti, vale a.m.u., eppure la misura sperimentale risulta a.m.u.; i due valori presentano una discrepanza Δm= a.m.u. che prende il nome di DIFETTO DI MASSA e si riscontra in tutti i nuclei. I neutroni e i protoni sono legati nel nucleo come gli elettroni sono legati nellatomo. Come per separare gli elettroni nellatomo bisogna fornire unenergia pari allenergia di legame, allo stesso modo per separare i neutroni dal nucleo bisogna fare del lavoro. Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro che deve essere fatto per separare i protoni e i neutroni dal nucleo. Lenergia di legame per nucleone del 17 O vale dunque 122/17= 7.20 MeV DIFETTO DI MASSA DEI NUCLEI Esercizio: si calcoli il difetto di massa del 17 O in g Esercizio: per mezzo dellequivalenza massa-energia, stabilita dalla teoria della relativita E=mc 2, si calcoli lenergia corrispondente al difetto di massa del nucleo di 17 O

24 ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Numero di massa A Energia di legame per nucleone (MeV) Regione di massima stabilità 100 Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z 2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte lenergia di legame decresce Piu bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV

25 per mantenere la stabilità il sistema reagisce arricchendo il nucleo di neutroni, anchessi soggetti alla forza forte per Z>82 non esistono nuclei stabili i nuclei instabili che si formano decadono in altri nuclei 3 POSSIBILITA di DECADIMENTO NEUTRONI n 2082 PROTONI p N=Z GLI ATOMI STABILI E INSTABILI Per A elevati, la repulsione coulombiana tende prevalere sulla forza nucleare forte: Curva di stabilita

26 per A molto elevati decadimento ALFA X A Z X A-4 Z-2 + He 4 2 emissione di nuclei di elio PROCESSI DI DECADIMENTO nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA X A Z * X A Z + emissione di fotoni per Z N decadimento BETA X A Z X A Z+1 + e - + emissione di elettroni o X A Z X A Z-1 + e + + positroni

27 SPETTRO ELETTROMAGNETICO

28 correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz SPETTRO ELETTROMAGNETICO SPETTRO ELETTROMAGNETICO Da dove originano?

29 Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E 1 -E 2 /h Quali transizioni danno origine a E 1 – E 2 ?

30 Quanta energia viene emessa o assorbita nel corso di una transizione atomica? Quanta energia viene emessa o assorbita nel corso di una transizione atomica? Decine di KeV

31 correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz SPETTRO ELETTROMAGNETICO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

32 Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E 1 – E 2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dallinfrarosso ai raggi X f = E 1 -E 2 /h

33 ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Numero di massa A Energia di legame per nucleone (MeV) Regione di massima stabilità 100 Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z 2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte lenergia di legame decresce Piu bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV Nel corso di una transizione nucleare vengono emessi decine di MeV

34 correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz SPETTRO ELETTROMAGNETICO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

35 Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E 1 – E 2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dallinfrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) f = E 1 -E 2 /h

36 correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz SPETTRO ELETTROMAGNETICO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

37 Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E 1 – E 2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dallinfrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio f = E 1 -E 2 /h

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39 Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E 1 – E 2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dallinfrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio - emissione termica dallinfrarosso allUV f = E 1 -E 2 /h


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