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Scuole secondarie di secondo grado SPETTROSCOPIA 22 aprile 2013.

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Presentazione sul tema: "Scuole secondarie di secondo grado SPETTROSCOPIA 22 aprile 2013."— Transcript della presentazione:

1 Scuole secondarie di secondo grado SPETTROSCOPIA 22 aprile 2013

2 Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it. Niels Bohr

3 LA VISIONE CLASSICA DEL MONDO Lo spazio in cui viviamo è tridimensionale; il movimento è scandito dal tempo. Gli intervalli spaziali e temporali sono invarianti rispetto al sistema di riferimento in cui vengono misurati. Luniverso e omogeneo e isotropo; il tempo è omogeneo. I sistemi fisici elementari vengono descritti attraverso il formalismo delle particelle o delle onde. Le variabili che descrivono i sistemi sono continue. il quadro concettuale verso la fine dell800

4 MECCANICA CLASSICA descrive il movimento dei corpi materiali come determinato dalle forze che agiscono su di essi, che si manifestano quali attrazioni o repulsioni mutue tra particelle: -caduta dei gravi -moto dei pianeti -processi termici e i moti disordinati dei costituenti della materia. ELETTROMAGNETISMO descrive i fenomeni elettrici e magnetici basandosi sul concetto di campo elettromagnetico: -fenomeni elettrici e magnetici -luce. LA VISIONE CLASSICA DEL MONDO il quadro concettuale verso la fine dell800 GALILEO NEWTON BOLTZMANN MAXWELL

5 IL CROLLO DELLA VISIONE CLASSICA DEL MONDO Fase prequantistica: Alcune evidenze sperimentali difficili da interpretare nei termini della fisica classica portarono ad una riformulazione delle teorie consolidate. SPETTRO DEL CORPO NERO (PLANCK, 1900) La radiazione emessa da un corpo caldo contraddice le previsioni dellelettromagnetismo classico EFFETTO FOTOELETTRICO (EINSTEIN, 1905) La luce può avere proprietà difficili da spiegare col modello ondulatorio Gli atomi sono stabili ed emettono luce solo a determinate lunghezze donda STUTTURA DELLATOMO e SPETTRI ATOMICI (BOHR, 1913) Le particelle possono avere proprietà difficili da spiegare col modello corpuscolare ONDE DI MATERIA (DE BROGLIE, 1924)

6 LA NATURA DELLA LUCE Dibattito storico: la luce è fatta di onde o di particelle? - XVII secolo: Newton particelle - XIX secolo: Fresnel, Maxwell... onde - ~ 1900: Planck, Einsteinparticelle - ~ 1920: Meccanica quantistica ? - ~ 1950: Elettrodinamica quantistica ? - ~ 1960: Ottica quantistica ?

7 Young (~1800): interferenza, le onde di luce possono essere sommate o sottratte onda sinusoidale Fresnel ( ): teoria matematica di diffrazione e interferenza onda scalare Fresnel-Arago ( ): polarizzazione onda vettoriale trasversa Faraday-Maxwell ( ): la luce è unonda elettromagnetica con e TEORIA ONDULATORIA XIX secolo

8 = lunghezza donda = frequenza c = velocità di propagazione nel vuoto c m/s LE ONDE ELETTROMAGNETICHE variazione del campo elettrico variazione del campo magnetico unonda elettromagnetica a singola frequenza mostra una variazione sinusoidale nello spazio dei campi elettrico e magnetico le onde elettromagnetiche trasportano energia sotto forma di un campo elettromagnetico propagante = c

9 LO SPETTRO DEL CORPO NERO Corpo nero: assorbitore perfetto: corpo che assorbe tutta la radiazione incidente su di esso. Ben rappresentato da un foro in una cavità (la radiazione che entra non esce più) Irraggiamento termico: ogni corpo allequilibrio termico ad una temperatura T>0 emette radiazione elettromagnetica a tutte le frequenze. Contemporaneamente assorbe parte della radiazione incidente Interpretazione classica: la materia è composta da particelle cariche in moto accelerato a causa dellagitazione termica. Le particelle cariche irraggiano: più loggetto è caldo, più la vibrazione è veloce e quindi la frequenza è alta

10 LO SPETTRO DEL CORPO NERO Osservazioni sperimentali: lo spettro del corpo nero, ovvero lintensità della radiazione emessa (potenza per unità di superficie) al variare della frequenza o della lunghezza donda, ha un andamento indipendente dalla forma dal tipo di materiale della cavità (Kirchhoff) e soddisfa le seguenti leggi: Legge di Wien (1893): il picco dello spettro di emissione è a Ipotesi classica (Rayleigh-Jeans): il corpo nero è un insieme di oscillatori che possono assumere qualsiasi frequenza. lo spettro diverge al diminuire di : catastrofe ultravioletta. Legge di Rayleigh-Jeans ( ): Legge di Stefan-Boltzmann ( ): lintensità totale dipende dalla temperatura

11 riproduce i dati sperimentali per h ~ J·s = eV·s Ipotesi quantistica (Planck, 1900): il corpo irraggiante emette e assorbe energia elettromagnetica in pacchetti di energia, quantità discrete dette quanti ; lenergia di un quanto è proporzionale alla frequenza della radiazione E = h. Il calcolo classico di Rayleigh-Jeans è accurato nel limite » 1 o h « 1 Legge di Planck:

12 APPARATO SPERIMENTALE A, B dipendono dal materiale del prisma 0 dipende dal materiale del filamento R 0 e la resistenza alla temperatura T 0 Misuriamo I ( ) per una lampada ad incandescenza al variare della temperatura utilizzando un prisma, un sensore di luce e un sensore di rotazione.

13 Luce solare a mezzogiorno : T = 5400 K MAX = 537 nm Luce d' ambiente in pieno giorno (luce diurna) : mediamente T ~ 6500 K MAX = 446 nm Luce del cielo nuvoloso : T ~ 7000 K MAX = 414 nm Luce del cielo parzialmente nuvoloso : T ~ K MAX = 362 – 290 nm Luce del cielo sereno : T ~ K MAX = nm (il valore è più elevato per il cielo di colore azzurro intenso a nord) Luce di una candela : T ~ 1000 K MAX = 2898 nm Lampada domestica a incandescenza da 40 W : T = 2650 K MAX = 1093 nm Lampada domestica a incandescenza da 75 W : T = 2820 K MAX = 1028 nm Lampada domestica a incandescenza da 200 W : T = 2980 K MAX = 972 nm Lampada Photoflood da 500 W per uso fotografico : T = 3400 K MAX = 852 nm Lampada fluorescente extracalda : T = 2700 K MAX = 1073 nm (la luce appare di colore giallo molto gradevole e riposante) Lampada fluorescente warm white (bianco caldo) : T = 3000 K MAX = 966 nm (la luce appare di colore bianco - giallastro) Lampada fluorescente white (bianco neutro) : T = 3500 K MAX = 928 nm (la luce appare di colore bianco tendente, in modo molto lieve, al bianco sporco verdastro) Lampada fluorescente cool white (bianco freddo) : T = 4000 K MAX = 724 nm (la luce appare di colore bianchissimo) Lampada fluorescente luce normalizzata (D50) : T = 5000 K MAX = 580 nm (la luce madantoria per i processi di stampa e pre - stampa) Lampada fluorescente daylight (diurna) : T = 6500 K MAX = 446 nm (la luce appare di colore bianco argenteo intensissimo) Lampada fluorescente skywhite (superdiurna) : T = 8000 K MAX = 362 nm (la luce appare di colore argenteo quasi azzurrino) Bianco caldo tra i 3000 e i 3500 K, bianco neutro tra i 3500 e i 4500 K, bianco freddo tra i 4500 e i 7000 K. Si ritiene, inoltre, che il bianco puro sia collocato intorno ai 6000 K.

14 14 Alla fine del 800, lidea che la materia fosse costituita da atomi era utilizzata in fisica e chimica ma non ancora universalmente accettata (critiche di Mach e Ostwald). Non cera nessuna indicazione sperimentale, per cui era considerata solo come un modello interpretativo, specialmente per le reazioni chimiche (Leggi di Dalton). Conferme definitive: Moto browniano (Einstein, 1905): moto erratico e casuale di particelle di polline in sospensione in un liquido (Brown, 1827) causato dai continui urti della particella con gli atomi del liquido in agitazione termica. Le osservazioni suggerivano atomi con un raggio dellordine di m. Scoperta dellelettrone (Thomson, 1898). Esperimento Rutherford (1911): particelle (nuclei di elio) emesse ad alta energia verso una lamina doro. La presenza di particelle deviate a grandi angoli suggerisce che la carica positiva sia concentrata in una regione molto piccola ( m) dellatomo, il nucleo. LA STRUTTURA DELLA MATERIA

15 MODELLI ATOMICI RUTHERFORD (1909) SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO Studiando gli urti di atomi doro con particelle alfa (di carica +2), Ritherford si rese conto che la carica positiva doveva essere concentrata in un volume molto piccolo dellatomo MODELLO PLANETARIO In un atomo gli elettroni orbitano attorno ad un condensato di carica positiva THOMPSON (1898) In un atomo gli elettroni sono dispersi in una nube di carica positiva uniforme, generata dai protoni Facendoli interagire con un campo elettrico, Thomson dimostrò che i raggi catodici erano particelle cariche negativamente (elettroni) e ne misurò il rapporto carica/massa. Appurò anche lesistenza di altre particelle, di carica opposta e di massa molto maggiore (protoni). SCOPERTA DELLELETTRONE E DEL PROTONEMODELLO A PANETTONE

16 BOHR (1913) Gli elettroni ruotano attorno al nucleo descrivendo solo alcune orbite privilegiate seguendo su tali orbite le leggi della fisica classica. Su queste orbite, lelettrone non irradia: le orbite sono quindi stabili. Lemissione o lassorbimento di luce corrispondono a un salto quantico fra due orbite stazionarie. CRITICITA DEL MODELLO PLANETARIO Secondo le leggi della dinamica Newtoniana e dellelettromagnetismo classico, il moto dellelettrone è il risultato dellequilibrio tra forza centrifuga e forza di attrazione elettrostatica: Poiché lelettrone è soggetto ad una accelerazione centripeta, come ogni carica in moto accelerato perde energia emettendo radiazione e alla fine precipita sul nucleo: latomo è instabile! Lenergia di ogni orbita dipende solo dagli elettroni perché i nuclei stanno fermi MODELLI ATOMICI

17 Modello planetario (Rutherford, 1909): latomo è costituito da un nucleo pesante di carica positiva e da elettroni negativi leggeri che gli orbitano attorno. IL MODELLO ATOMICO E LE RIGHE SPETTRALI Conseguenze secondo la fisica classica: - qualunque orbita ellittica dovrebbe essere consentita - gli elettroni, essendo soggetti a un moto accelerato, dovrebbero irraggiare e cadere nel nucleo - lo spettro dellirraggiamento dovrebbe essere continuo - dopo collisioni tra atomi, le frequenze di emissione di tutti gli elettroni dovrebbero cambiare, invece un atomo di gas (10 8 urti/sec) emette sempre le stesse righe.

18 Formula di Rydberg-Ritz (1888): per calcolare empiricamente la frequenza delle righe spettrali dellatomo di idrogeno.

19 Modello di Bohr (1913): tre nuovi postulati da aggiungere al modello planetario di Rutherford: - esiste un insieme discreto di orbite stabili per gli elettroni, gli stati stazionari, con energie E n, in cui essi non irraggiano. - latomo irraggia solo nella transizione, salto quantico, da uno stato stazionario allaltro, emettendo radiazione di frequenza - il momento angolare dell elettrone nelle orbite stabili è quantizzato secondo la regola (orbite circolari) quantizzazione dei raggi delle orbite circolari r n e delle energie E n

20 Il modello non è adattabile a molti tipi di atomi, che saranno spiegati solo dalla meccanica quantistica propriamente detta. Il modello di Bohr spiega la formula empirica di Rydberg-Ritz.

21 TRANSIZIONI ATOMICHE E MOLECOLARI ECCITAZIONE per assorbimento di un fotone per collisione con altri atomi. fotone nucleo elettrone shell chiuse h = E E DISECCITAZIONE diversi meccanismi di emissione.

22 E2E2 E1E1 E1E1 E2E2 Latomo puo assorbire un fotone e compiere una transizione da uno stato ad energia inferiore E 1 ad uno ad energia superiore E 2. ASSORBIMENTO

23 E2E2 E1E1 E2E2 E1E1 Latomo in uno stato eccitato E 2 passa spontaneamente in uno stato meno eccitato E 1 emettendo un fotone di frequenza = (E 2 -E 1 )/h Tipicamente le molecole rimangono in stato eccitato per non piu di pochi nanosecondi. Il meccanismo di diseccitazione si chiama fluorescenza o se dura piu a lungo fosforescenza. EMISSIONE INCOERENTE : bassa direzionalita, bassa monocromaticita, bassa coerenza, bassa potenza. EMISSIONE SPONTANEA

24 I livelli energetici si infittiscono diventando delle bande Oscillazioni armoniche attorno alla posizione di equilibrio VIBRAZIONI MOLECOLARI ROTAZIONI MOLECOLARI Rotazioni attorno agli assi di simmetria Le molecole sono più complesse e i livelli elettronici sono determinati anche dai movimenti interni della molecola MOLECOLE

25 Nelle molecole, il decadimento da uno stato eccitato puo accadere per passi successivi La luce riemessa dopo lassorbimento puo avere una frequenza diversa da quella assorbita. Energia IR VIS MW UV EMISSIONE

26 nm) SPETTRO: grafico dellintensità della radiazione in funzione della lunghezza donda Spettro di assorbimento Spettro di emissione SPETTROSCOPIA

27 Lo spettro di assorbimento e di emissione degli atomi è a righe che corrispondono alle transizioni molto precise fra i livelli. Lo spettro di assorbimento e di emissione delle molecole è composto da righe cosí vicine da apparire continuo. SPETTROGRAFO A PRISMA

28 1.Lassorbimento porta la molecola in uno stato elettronico eccitato 2.La molecola elimina parte dellenergia non radiativamente scendendo la scala dei livelli vibrazionali fino al livello rotovibrazionalmente fondamentale di S1 3.Per rilassarsi elettronicamente la molecola emette spontaneamente radiazione FLUORESCENZA


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