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Un nucleo atomico è caratterizzato da: numero atomico (Z) che indica il numero di protoni numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni.

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1 Un nucleo atomico è caratterizzato da: numero atomico (Z) che indica il numero di protoni numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico. Se indichiamo con N il numero di neutroni, possiamo scrivere: A=N+Z.

2 Notazione simbolica per gli elementi chimici N.ro di Massa A c carica X N.ro Atomico Z X è il simbolo dellelemento chimico. Il numero atomico Z è _______________ Il numero di massa A è _______________

3 Nuclidi Simbolo dellelemento X, numero di massa A e numero atomico Z. Il simbolo nel suo complesso indica quello che in fisica nucleare è definito nuclide. X Z A

4 Esercizio 1 Determinare il –numero di protoni –numero di neutroni –numero di elettroni –numero atomico –numero di massa F 19 9

5 Esercizio 2 Determinare Determinare il –numero –numero di protoni di neutroni di elettroni atomico di massa Br 80 35

6 Esercizio 3 n Se un elemento chimico è caratterizzato da un numero atomico 34 ed un numero di massa 78 determinare: –Numero di protoni –Numero di neutroni –Numero di nucleoni –Simbolo del nuclide

7 Esercizio 4 Se un elemento chimico contiene 91 protoni e 140 neutroni, determinare: Se un elemento chimico contiene 91 protoni e 140 neutroni, determinare: –Numero di massa –Numero atomico –Numero di elettroni –Simbolo del nuclide

8 Esercizio 5 Se un elemento chimico contiene 78 elettroni e 117 neutroni, determinare: Se un elemento chimico contiene 78 elettroni e 117 neutroni, determinare: –Numero di massa –Numero atomico –Numero di protoni –Simbolo del nuclide

9 ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N

10 Esempio di Isobari

11 Esempio di Isotoni

12 Isotopi Sono isotopi due o più forme di uno stesso elemento stesso numero atomico [Z], ma con diverso numero di massa [A]. Ovvero: stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni. Gli isotopi di un dato elemento presentano tutti le stesse caratteristiche chimiche, anche se possono essere: fisicamente stabili (non radioattivi) oppure instabili (radioattivi).

13 Esempio di isotopi gli isotopi dell'idrogeno sono: l'idrogeno comune ( 1 H) che ha 1 p (Z=1) e 0 n (A=1) ed è il più abbondante in natura; il deuterio ( 2 H) che ha 1 p (Z=1) e 1 n (A=2) ed è presente in natura anche se raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale); il trizio ( 3 H) che ha 1 p (Z=1) e 2 n (A=3), esiste solo perché prodotto artificialmente ed è fisicamente instabile. Esercizi: sul Tottola, pag 109 n. 43, 44, 45,46

14 Come si misura la Massa di un Atomo? Lunità di misura è lUnità di Massa Atomica (a.m.u.) 1 a.m.u. corrisponde ad 1/12 della massa di un atomo di Carbonio-12. poichè ciascun isotopo ha la propria massa atomica, se vogliamo la massa di un elemento dobbiamo considerare il suo valore medio tenendo conto delle abbondanze relative di ciascun isotopo (media ponderata)

15 Esercizio 7 Calcolare la massa atomica del rame, sapendo che il rame ha due isotopi, dei quali il 69.1% ha una massa pari a a.m.u. ed il rimanente ha una massa di a.m.u.

16 Esercizio 8 Il Magnesio ha 3 isotopi. Il 78.99% magnesio - 24 con una massa di amu, Il 10.00% magnesio - 25 con una massa di amu, ed Il resto magnesio - 26 con una massa di amu. Qual è la massa atomica del magnesio? N.B. se non detto esplicitamente, il numero di massa dellisotopo corrisponde sempre al valore intero della massa dellisotopo espressa in a.m.u.

17 Spettrometro di Massa

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19 Isotopi naturali È noto che molti elementi, a eccezione di berillio, alluminio, fosforo e sodio, sono costituiti nel loro stato naturale da una miscela di due o più isotopi. Il peso atomico di un elemento è allora la media ponderata dei pesi atomici dei singoli isotopi. Tutti gli isotopi degli elementi che hanno peso atomico maggiore di 83, e che si trovano oltre il bismuto nella tavola periodica, sono radioattivi, mentre gli isotopi più leggeri sono, nella maggior parte dei casi, stabili. Globalmente si conoscono circa 280 isotopi naturali stabili.

20 Isotopi artificiali Gli isotopi radioattivi artificiali, noti come radioisotopi, furono prodotti per la prima volta nel 1933 dai fisici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie. Possono essere preparati in acceleratori di particelle, bombardando i nuclei degli atomi stabili con particelle nucleari come neutroni, elettroni, protoni e particelle.

21 Ma i protoni e i neutroni sonole particelle fondamentali? il nucleo è fatto di protoni (p), carichi positivamente, e neutroni (n), privi di carica

22 Dopo molti esperimenti gli scienziati ora credono che i quark e gli elettroni (e qualche altra particella) siano fondamentali I fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni sono composti di particelle ancora più piccole, chiamate quark Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark non sono fatti di nientaltro: sono FONDAMENTALI

23 I fisici hanno sviluppato una teoria chiamata Modello Standard che spiega di cosa il mondo è fatto e cosa lo tiene assieme Il Modello Standard spiega tutte le centinaia di particelle e le complesse interazioni che le legano con una semplice ricetta: 6 quark (che formano le particelle più pesanti, tra cui protone e neutrone) 6 leptoni (particelle più leggere, tra cui lelettrone) Particelle che trasportano le forze ( fotoni, bosoni nucleoni ) + +

24 sei quark up/downcharm/strange top/bottom Ci sono sei quark, raggruppati in tre coppie: up/down (su/giù), charm/strange (incanto/strano) e top/bottom (cima/fondo) Quark La maggior parte della materia che ci circonda è fatta di protoni e neutroni, che sono composti di quark quark top venti anni prima Il quark più misterioso, il quark top, fu scoperto nel 1995, mentre la sua esistenza era stata teorizzata venti anni prima! I quark hanno carica elettrica frazionaria

25 …che sono fatti di tre quark …che sono fatti di un quark e di un antiquark i quark si combinano adroni in modo da formare particelle (chiamate adroni ) con carica elettrica intera Ci sono due tipi di adroni: Barioni (dal greco=pesanti)Mesoni (dal greco=in mezzo)

26 Leptoni Sono un altra famiglia di particelle di materia, che a differenza dei quark non stanno uniti ma preferiscono vivere da soli… Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri lelettrone. Il leptone carico più famoso e lelettrone. muonetau Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau

27 neutrino Gli altri tre leptoni sono i tre tipi di neutrino. Essi non hanno carica elettrica, sono leggerissimi e difficilissimi da vedere I neutrini sono stati previsti come spiegazione alla massa mancante nel decadimento del neutrone (E. Fermi)

28 Per ogni tipo di particella di materia che abbiamo incontrato finora esiste anche una particella di antimateria, chiamata antiparticella Le antiparticelle sono uguali alle corrispondenti particelle di materia, ma hanno carica elettrica opposta Quando una particella e la corrispondente antiparticella si scontrano, si annichiliscono in pura energia!

29 Finora sono state scoperte circa 200 particelle, che sono composte dai mattoncini che abbiamo visto in precedenza: troppe? Enrico Fermi una volta disse ad un suo studente: Giovanotto, se fossi in grado di ricordarmi i nomi di tutte queste particelle sarei stato un botanico!

30 Ci sono quattro interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze possono essere attribuite a queste quattro interazioni. Qualunque forza si consideri - lattrito, il magnetismo, la gravità, le reazioni nucleari e così via – è causata da una di queste quattro interazioni fondamentali: Abbiamo visto quali sono le particelle fondamentali che compongono luniverso: ma come interagiscono tra loro?

31 Nel mondo delle particelle la forza di gravità ha un ruolo trascurabile Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono? Se due pattinatori sul ghiaccio si scambiano una palla, leffetto di azione e reazione li farà spostare entrambi dallequilibrio: Allo stesso modo due particelle interagiscono scambiandosi una particella che trasporta la forza, spostandosi dallequilibrio…

32 La forza elettromagnetica fa si che oggetti con la stessa carica si respingano e che oggetti con carica opposta si attraggano Ad esempio la forza che tiene uniti gli atomi e che rende la materia solida e impenetrabile è di natura elettromagnetica!

33 La forza nucleare forte tiene assieme i protoni e i neutroni nei nuclei degli atomi, e lega i quark che formano i protoni e i neutroni. forte Poichè tiene assieme particelle con la stessa carica elettrica, che tendono a respingersi, deve essere una forza, appunto, forte Le particelle che mediano la forza forte tra i gluoni quark sono chiamati gluoni, perchè tengono incollati tra loro i quark (in Inglese glue=colla)

34 La forza nucleare debole è responsabile del decadimento di quark e leptoni pesanti in quark e leptoni più leggeri Quando una particella decade scompare, e viene rimpiazzata da due o più particelle diverse. Ad esempio nel decadimento del neutrone: Le tre particelle che mediano la forza debole, sono chiamate bosoni W +, W -, Z 0 (scoperti da C. Rubbia nel 1983) neutrone protone

35 Che cosè la luce? UN FLUSSO DI PARTICELLE MICROSCOPICHE emesse a ritmo continuo dalle sorgenti luminose TEORIA CORPUSCOLARE fotoni UN ONDA cioè energia che si propaga TEORIA ONDULATORIA

36 DELLA NATURA "AMBIGUA" DELLA LUCE Il dibattito sulla natura corpuscolare o ondulatoria della luce nasce nel XVII secolo in seguito alla contrapposizione fra le teorie di Isaac Newton e di Christian Huygens

37 Secondo Newton lo spazio è vuoto e la luce ha natura corpuscolare (1687) Newton scopre la rifrazione

38 LIPOTESI CORPUSCOLARE DI NEWTON Riusciva a spiegare i fenomeni di ottica geometrica : Riflessione Rifrazione Diffusione Dispersione Ma non riusciva a spiegare i fenomeni di ottica fisica: Interferenza Diffrazione Polarizzazione

39 Secondo Huyghens la luce ha natura ondulatoria così scrive Huygens : "Non cè dubbio che la luce arrivi da un corpo luminoso a noi come moto impresso alla materia interposta". Christian Huygens ( ) e Augustin Jean Fresnel ritenevano che la luce, come il suono, fosse dovuta alla vibrazione meccanica di un mezzo, letere cosmico, che riempie luniverso. Traité de la Lumière (1690). Tale teoria riusciva a spiegare sia i fenomeni dell ottica geometrica sia quelli dellottica fisica, ma ammetteva lesistenza di un etere cosmico già Cartesio considerava lo spazio tutto pieno di una materia sottile onnipervadente (etere) il cui movimento rotatorio intorno al Sole sarebbe, per esempio, la causa dei moti dei pianeti (teoria dei vortici).

40 Nella seconda metà del XIX sec. James Clerk Maxwell ( ) scoprì che una carica elettrica oscillante produce un campo elettrico e un campo magnetico tra loro perpendicolari che si propagano in forma d onde alla velocità della luce.

41 I campi elettromagnetici sono prodotti dalloscillazione delle cariche elettriche. Loscillazione di una carica determina la variazione del flusso del campo elettrico. A causa di questa variazione viene generato un campo magnetico variabile il quale a sua volta determina la variazione del campo elettrico e così via. Una volta che il campo elettromagnetico è stato prodotto dalloscillazione di una carica, esso ha unesistenza autonoma. Essendo questa una caratteristica delle onde si parla di onde elettromagnetiche.

42 Tutte le radiazioni elettromagnetiche sono onde tridimensionali che vengono generate accelerando una carica elettrica

43 Se il moto della carica è oscillante con andamento sinusoidale anche il campo elettromagnetico in ogni punto dello spazio varia in modo sinusoidale con la stessa frequenza Ciascuna delle due componenti dellonda elettromagnetica, elettrica e magnetica, trasporta la stessa quantità di energia.

44 La luce è costituita da onde elettromagnetiche formate dalla simultanea propagazione di un campo elettrico e di un campo magnetico tra loro perpendicolari.

45 Caratterizzata da: Lunghezza donda si misura in nanometri (1nm=10 -9 m) Periodo T = tempo impiegato per percorrere la distanza Frequenza si misura in Hertz (Hz) ( ) è legata al colore piccole ( grandi) viola grandi ( piccole) rosso Luce bianca: composta da colori che possono essere dispersi e ricombinati mediante un prisma

46 Lo spettro elettromagnetico nelle scale di: Lunghezze donda, Frequenza, =c/ Energia, E=h dove lenergia è espressa in electronVolt (eV) 1 eV = J Spettro delle onde elettromagnetiche energia Lunghezza donda frequenza

47 Lunghezza donda, frequenza, energia (Hz) E = h = c ONDE RADIO MICRO ONDE INFRA- -ROSSO VISIBILE ULTRA- -VIOLETTO RAGGI X GAMMA –2 10 –4 10 –6 10 –8 10 –10 10 –12 10 –14 (m) (m) (Hz) (cm) (mm) ( m) (Å) (fm) (nm) MeVMeV keVkeV GeVGeV (eV) E –3 Å Hz E 10 eV 200 keV Raggi X :

48 Raggi X e Raggi Roentgen scopre i raggi X Rutherford identifica i raggi I raggi X sono prodotti nelle transizioni elettroniche negli atomi di elettroni di shell interne. I raggi sono prodotti nelle reazioni nucleari. Spettro delle onde elettromagnetiche

49 Ultravioletto (UV) 1801 – Ritter in modo analogo allIR scopre la luce ultravioletta. LUV è prodotto da transizioni elettroniche di atomi ionizzati. Spettro delle onde elettromagnetiche

50 Visibile 1666 – Newton disperde la luce visibile con un prisma. Il visibile è prodotto -da transizioni degli elettroni di atomi e molecole -e da corpi molto caldi. Spettro delle onde elettromagnetiche

51 Infrarosso 1800 – Herschel mostra che la radia- zione solare si estende nellinfrarosso. Linfrarosso è prodotto -da transizioni rotazionali e vibrazionali delle molecole - e da corpi caldi. Spettro delle onde elettromagnetiche

52 Onde radio e microonde 1885 – Hertz scopre le onde radio. Le onde radio sono prodotte da dispositivi elettrici e elettronici. Spettro delle onde elettromagnetiche

53 Onde radio Antenna trasmittente: Un conduttore in cui circola una corrente alternata Antenna ricevente. La stessa onda elettromagnetica genera una tensione alternata di uguale frequenza Nel 1887 Hertz fece i primi esperimenti con le onde elettromagnetiche Negli anni successivi Marconi effettuò le prime trasmissioni a distanza Una sorgente di onde elettromagnetiche può essere costituita da:

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56 Corpo nero

57 Il corpo nero riesce ad assorbire tutte le radiazioni che lo colpiscono e ad emettere la radiazione su ununica frequenza Si dice corpo nero una cavità isolata dal mondo circostante in cui non vi è scambio energetico con lesterno.

58 Lirraggiamento dipende dalla temperatura del corpo nero Potenza emessa per unità di superficie da un corpo nero in funzione della frequenza per 3 diverse temperature T 1, T 2,T 3

59 Planck Planck osservò che: le onde elettromagnetiche trasportano energia e se incontrano un corpo materiale trasferiscono ad esso energia ogni corpo caldo emette uno spettro invisibile a temperatura ordinaria, perché la cade nellinfrarosso. –500°C radiazioni rosse –650°C radiazioni verdi –800°C radiazioni azzurre –1200°C radiazioni violette

60 Corpo nero A temperatura ambiente un oggetto nero, per esempio il carbone, non emette luce visibile (ma solo raggi infrarossi); al contrario, quando viene scaldato, emette luce rossa. Se viene portato a temperature più alte, il colore si sposta verso il giallo; quando arriva a temperature superiori ai gradi (l'oggetto si è ormai vaporizzato), il colore incomincia a tendere verso l'azzurro e buona parte della radiazione è concentrata nell'ultravioletto. In altri termini la radiazione emessa ha un massimo ad una frequenza che è proporzionale alla temperatura.

61 Legge di Wien Legame tra lunghezza donda di massima emissione e temperatura K

62 LO SPETTRO DI CORPO NERO Planck 1900 Sole Cavità Radiazione cosmica di fondo

63 Planck 14 dicembre 1900 Planck per spiegare l'emissione di energia del corpo nero suppose che gli atomi si comportassero come tanti oscillatori che irradiano energia per salti, non con continuità. E = hν h = 6, Js Galileo Galilei: natura non facit saltus

64 esercizi (a) Calcolare lenergia e la frequenza di un fotone rosso, con lunghezza donda λ=650 nm. (b) calcolare la lunghezza donda alla quale un oggetto a temperatura ambiente (T=20°C) emette la massima radiazione termica e stabilire fino a quale temperatura va riscaldato loggetto perché si presenti di colore rosso (λ=650 nm).

65 h h Compare tutte le volte che si studia un fenomeno microscopico h è trascurabile nel mondo macroscopico La più grande e feconda scoperta del 1900 "Mi sono visto costretto ad ammettere che l'energia associata a un'onda elettromagnetica non è continua ma suddivisa in quanti... Planck

66 1905 Einstein estende la teoria di Planck ammettendo la quantizzazione della stessa energia 1923 La luce è costituita da un flusso di particelle di energia, o quanti di luce, chiamati fotoni Che natura ha la luce?

67 La rifrazione della luce Quando un raggio di luce attraversa la superficie di separazione di due materiali trasparenti di differente densità, subisce una deviazione. Tale fenomeno è detto rifrazione. L'angolo di rifrazione dipende dalle densità ottiche dei due mezzi trasparenti. Il raggio incidente, passando dall'aria al vetro, è stato deflesso verso la normale alla superficie di separazione dei due mezzi; nel passaggio opposto il raggio è stato, invece, allontanato dalla normale. COMPORTAMENTO ONDULATORIO DELLA LUCE

68 Le righe spettrali La luce che si ottiene riscaldando un elemento chimico non contiene lintero arcobaleno ma solo determinate righe dette righe spettrali –Ogni atomo quando viene sollecitato emette un insieme ben preciso di colori (spettro di emissione) –Le righe spettrali sono una sorta di firma dellatomo Le lampade per lilluminazione stradale, ad es., utilizzano vapori al sodio e vapori al mercurio. Se facciamo passare la loro luce attraverso un prisma vediamo righe separate La spettroscopia è la scienza che utilizza le righe spettrali per individuare la composizione di un determinato oggetto (es. stelle lontane)

69 Le righe spettrali Osservate per la prima volta nello spettro della luce solare da Wollaston (1802) Fraunhofer (1814) le studiò e le catalogò registrando la loro posizione senza capirne lorigine e il significato Kirkhhoff e Bunsen (1850) esposero varie sostanze alla fiamma di un becco Bunsen In seguito anche il gallio, lelio, largon, il neon, il kripton e lo xenon vennero scoperti per mezzo della spettroscopia Un dato elemento produceva sempre lo stesso spettro, differente da quello di ogni altro elemento cesio e rubidio vennero scoperti perchè le loro righe spettrali non corrispondevano a quelle di nessun elemento conosciuto

70 Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Costituito da una piattaforma orizzontale fissa che porta un prisma, un collimatore, un cannocchiale e un proiettore. Scopo del collimatore è quello di fornire, quando la lente è illuminata attraverso la fenditura, un fascio di raggi paralleli che poi incide su una faccia del prisma –Il fascio incidente di raggi paralleli è disperso dal prisma in tanti fasci diversamente inclinati a seconda della lunghezza donda che forniscono nel cannocchiale altrettante immagini della fenditura La luce bianca dà uno spettro continuo, dal rosso (meno deviato) al violetto (più deviato), altre luci danno spettri di righe o bande Il collimatore è costituito da un tubo metallico che porta, allestremità rivolta verso il prisma, una lente convergente acromatica e allaltra una fenditura (di larghezza regolabile mediante vite micrometrica) parallela allo spigolo del prisma e posta nel piano focale della lente convergente

71 Il proiettore è costituito da un tubo fissato sulla piattaforma in posizione opportuna rispetto al prisma e al cannocchiale. Allestremità verso il prisma porta una lente convergente e allaltra estremità una scala graduata che illuminata allesterno del tubo da una lampada, viene raccolta nel cannocchiale. –Nel campo del cannocchiale si vedono sovrapposti lo spettro della luce in esame e limmagine della scala graduata –È possibile riferire quindi le posizioni delle righe dello spettro alla graduazione della scala Il cannocchiale è mobile con una piccola escursione nel piano orizzontale, per poter osservare tutto lo spettro visibile.

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73 La luce che attraversa il collimatore viene dispersa dal prisma centrale e, attraverso loculare del cannocchiale, si può osservarne lo spettro. prisma collimatore costituito da una fenditura verticale la cui apertura è regolabile per mezzo di una vite micrometrica. Di fronte alla fenditura cè un piccolo prisma a riflessione totale la cui altezza è circa la metà di quella della fenditura. Spettroscopio di Bunsen e Kirchhoff

74 Continuo emesso da solidi, liquidi, gas densi incandescenti Discontinuo emesso da gas rarefatti eccitati mediante riscaldamento o scariche elettriche

75 Dovuti a gas i freddi interposti tra una sorgente di spettro continuo e lo spettroscopio Righe di Fraunhofer Spettri di assorbimento

76 Gli spettri di assorbimento Fraunhofer stava scoprendo che cé un altro modo in cui gli elementi possono produrre uno spettro Fraunhofer osservò fortuitamente che, lo spettro continuo della luce solare contiene una serie di righe scure lo spettro continuo della luce solare possiede circa 600 righe scure che Fraunhofer osservò (e che ora hanno il nome di righe di Fraunhofer)

77 Lo spettro di assorbimento Si ottiee quando un gas freddo è attraversato da un fascio di luce bianca (che contiene luce visibile di ogni lunghezza donda) tutte le onde attraversano il gas, tranne quelle con una particolare lunghezza donda che vengono invece assorbite –lo spettro con queste frequenze mancanti è detto spettro di assorbimento Confrontando spettro di emissione e spettro di assorbimento per uno stesso elemento si nota che –Le righe scure di uno spettro di assorbimento appaiono alle stesse lunghezze donda alle quali si trovano le righe luminose del corrispondente spettro di emissione Nessuno fu in grado di spiegare il significato delle righe spettrali per decine di anni...

78 Caratteristiche dello spettro

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81 I tubi di Pluker

82 COMPORTAMENTO CORPUSCOLARE DELLA LUCE 1. Lo spettro di corpo nero Planck, L effetto fotoelettrico Einstein, L effetto Compton Compton, 1922

83 Effetto fotoelettrico Lenard Einstein Quando la luce colpisce una sostanza vengono emessi elettroni (effetto fotoelettrico) perché il campo elettrico associato alla radiazione elettromagnetica accelera gli elettroni facendo loro acquistare lenergia sufficiente ad abbandonare la superficie del metallo.

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85 L'energia cinetica con cui vengono emessi gli elettroni non dipende dall'intensità della radiazione ma dipende linearmente dalla frequenza. Aumentando l'intensità della luce si aumenta il numero di elettroni emessi ma non la loro energia cinetica. Esiste una frequenza di soglia ν 0 che può andare dall'infrarosso, per certi sali di cesio, all'ultravioletto, per il platino, al di sotto della quale non si osserva emissione di elettroni; per i metalli alcalini ν 0 è centrato nel visibile. hν = ½ m v 2 (max) + E estr Il fotone cede energia allelettrone che ne spende. -una parte nel lavoro di estrazione, -la restante energia aumenta lenergia cinetica dellelettrone.

86 L EFFETTO FOTOELETTRICO Effetto a soglia: E>E estr N elettr. intensità dell onda E cin ele. frequenza dellonda Scoperta: Hertz /2 mv 2 = ħν - E estr Teoria: Einstein 1905 FOTONI

87 L EFFETTO COMPTON Interazione fotone-elettrone Compton 1922 Leffetto dellurto perfettamente elastico tra un fotone, con energia sufficientemente elevata, e un elettrone debolmente legato provoca lespulsione dellelettrone e lemissione di un fotone a minor energia ( maggior λ e minor ν) Qual è la differenza con leffetto fotoelettrico?

88 1911: teoria atomica di RutherfordRutherford 1913: teoria atomica di BohrBohr 1916: Einstein descrive le orbite degli elettroni più lontaniEinstein 1925: principio di esclusione di PauliPauli 1926: equazioni di Schroedinger Schroedinger 1927: principio di indeterminazione di Heisenberg Heisenberg 1932: scoperta del neutrone ( Chadwich )Chadwich 1942: prima reazione nucleare ( Fermi ) 1951: prime centrali nucleari negli U.S.A modello atomico di Thomson Mezzo secolo di storia dellatomo

89 ULTIME SCOPERTE 1968: si scoprono i Quark 1993: progetto di fissione nucleare ( Rubbia ) 1997: si produce in laboratorio lanti idrogeno lanti idrogeno

90 Bohr riprese il modello di Rutherford e postulò che. 1.gli elettroni in un atomo hanno specifici livelli di energia nei quali possono stare, 2. quando saltano da un livello ad un altro assorbono od emettono un fotone di energia pari alla differenza tra le energie necessarie a percorrere le due orbite. Lenergia negli atomi Attenzione a questo termine usato da Bohr, oggi non è più accettabile

91 quando una particella si muove lungo un'orbita circolare subisce un'accelerazione centripeta. Ogni carica che si muove di moto non uniforme emette onde elettromagnetiche. Bohr ipotizzò lesistenza di orbite stazionarie di raggio r = nh/ 2πmv che gli elettroni possono percorrere senza irradiare energia. 1° postulato di Bohr o postulato della quantizzazione delle orbite Modello atomico di Bohr 1913 Per la conservazione dell'energia, l'energia di queste onde deve provenire dall'energia di moto, dunque l'orbita dell'elettrone dovrebbe restringersi fino a far cadere lelettrone sul nucleo.

92 Come è arrivato Bohr a calcolare i raggi delle orbite elettroniche? Ha eguagliato la forza attrattiva alla forza centrifuga Da che cosa dipende la forza attrattiva? E la forza centrifuga? e2e2 r2r2 = mv 2 r Ricorda che in base al 1°postulato di Bohr v = nh/2 π mr Sostituisci e ricava r 1

93 Modello di Bohr Raggi orbite permesse Es.: Z = 1, n = 1 si ottiene r 1 = 5,29· m raggio di Bohr

94 Atomo di Bohr Quindi: Energia di legame dellelettrone Dalla quantizzazione del momento angolare derivano la quantizzazione di r e di E

95 Le dimensioni atomiche Il raggio di Bohr per latomo di H a o = 0,53 · m dipende solo dalle costanti naturali (h, c, e, m e ) Lenergia totale dellelettrone è data dalla somma dellenergia cinetica + lenergia potenziale E tot = E cin. +E pot. ovvero E = mv 2 /2 – e 2 /r 2 Ricavando v 2 dallequazione otteniamo la formula del raggio a 0 = 1

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97 Dunque, secondo Bohr, esistono dei livelli energetici in cui lelettrone può orbitare senza perdere energia. Quando fornisco energia (ad es., calore) allatomo, cosa succede? Stati eccitati Stato fondamentale I Livelli energetici E = - 1 n2n2 K

98 l'atomo irraggia solo quando l'elettrone effettua una transizione da uno stato stazionario superiore ad un altro inferiore. La frequenza della radiazione è legata alle energie dei livelli di partenza e di arrivo dalla relazione: 2° postulato di Bohr o postulato della quantizzazione delle energie: dove h è la costante di Planck, mentre E i ed E f sono le energie dell'orbita iniziale e finale.costante di Planck

99 quando lelettrone assorbe energia esso salta ad un livello di maggiore energia, detto Lenergia negli atomi stato eccitato stato fondamentale Quando dallo stato eccitato lelettrone ritorna allo stato fondamentale restituisce energia sotto forma di onde elettromagnetiche Stato fondamentale Stato eccitato Il più basso livello di energia in cui si può trovare l'elettrone di un atomo si chiama,

100 Emissione di fotoni in un atomo eccitato di Idrogeno n = numero quantico principale Stato fondamentale n = 1 stati eccitati n = 2, 3

101 il momento angolare dell'elettrone in un'orbita stabile è uguale nh/2 πmomento angolare 3°postulato di Bohr o postulato della quantizzazione del momento angolare della particella

102 Latomo di Bohr (1913) Per spiegare il mistero delle righe spettrali, Bohr propose un modello atomico radicalmente diverso (1913) gli elettroni possono stare solo su orbite speciali 2.Lenergia, sotto forma di fotoni (pacchetti di energia), è emessa o assorbita solo per transizioni da uno stato stazionario ad un altro Lenergia degli elettroni può cambiare solo per piccoli salti discreti (quanti) I fotoni assorbiti o emessi hanno energia che corrisponde alla spaziatura (energetica) tra uno stato stazionario e laltro I fotoni sono radiazioni ad energia quindi lunghezza donda fissata ecco il perchè delle righe discrete 1.Gli elettroni ruotano su orbite circolari attorno al nucleo. Se lelettrone rimane su unorbita permessa (stato stazionario) latomo non emette energia

103 Il modello di Bohr spiega lemissione delle righe spettrali di Balmer Lymann Balmer Paschen

104 Perchè le righe spettrali Riscaldando gli atomi di una determinata sostanza si fornisce loro energia e qualche elettrone può saltare ad un livello energetico superiore. Quando ritorna al livello inferiore, latomo emette un fotone ad una delle frequenze caratteristiche dellelemento (o degli elementi) che compongono la sostanza –Ogni elemento ha uno spettro di emissione caratteristico Quando i fotoni che provengono da una sorgente bianca (che contiene luce visibile di ogni lunghezza donda) interagiscono con gli atomi di un gas freddo, possono venire assorbiti purché abbiano la lunghezza donda necessaria per portare un elettrone da un livello energetico ad un altro. Tutte le altre frequenze attraversano il gas senza interagire Lo spettro continuo della luce bianca ha delle lacune (righe nere) in corrispondenza delle lunghezze donda assorbite Gas semplici spettro a righe Gas poliatomici complessi spettro a bande Solidi spettro continuo spettro di emissione spettro di assorbimento

105 n=1 n=2 n=3 n=4 n= 13.6 eV 10.2 eV 12.1 eV 12.8 eV Modello di Bohr Lyman (UV) Balmer (V) emissione/ assorbimento stabile instabile COSA GLI MANCA? Non funziona per atomi con 2 o più elettroni; non riesce a predire le intensità delle linee; non è indeterminato!

106 LA fisica ONDULATORIA Nel 1924 il fisico francese Louis De Broglie, in analogia con il caso della luce, propose di studiare le proprietà ondulatorie degli elettroni e, più in generale, di tutte le particelle. Dunque il dualismo onda-corpuscolo riflette una simmetria di carattere generale, è una legge della natura

107 Dualismo Onda Dualismo Onda- Corpuscolo Secondo De Broglie, lelettrone poteva essere descritto come unonda. Per farlo si dovevano collegare i parametri fondamentali dellonda a grandezze fisiche appartenenti allelettrone. De Broglie suggerì che il collegamento per la descrizione degli elettroni in termini onda-particella fosse dato dalla relazione λ= h/ mv dove λ è la lunghezza dellonda m e v sono rispettivamente la massa e la velocità dellelettrone. Lipotesi trovò conferma negli esperimenti di diffrazione elettronica

108 Ipotesi di De Broglie Nel 1924 De Broglie estese alla materia il concetto del dualismo onda-corpuscolo Ad ogni particella materiale con quantità di moto p deve essere associata unonda di lunghezza donda λ Agli oggetti macroscopici corrispondono lunghezze donda praticamente nulle e non generano alcun effetto osservabile

109 Combinando le due relazioni si ottiene che Considerando che λ Ѵ = c Si ottiene λ= h/ mv Da cui λ= h/ mv

110 Se un elettrone descrive indisturbato una certa orbita, ad esso deve essere associata unonda stazionaria, cioè unonda che permanga invariata fino a che lelettrone non cambia stato di moto. La lunghezza dellorbita non può avere un valore arbitrario, ma deve essere un multiplo della associata allelettrone 2 r = n 2 r = n(h/p) 2 r = n(h/mv) Per lipotesi di De Broglie Coincide con lipotesi di quantizzazione di Bohr

111 Londa elettronica è stazionaria Le onde tendono ad interferire distruttivamente se non sono in concordanza di fase secondo la relazione

112 Formula di Rydberg Ritz Sperimentalmente, righe emesse dallidrogeno o dagli idrogenoidi sono raggruppate in serie con frequenze ben rappresentate dalla formula di Rydberg-Ritz (1890) dove R è una costante (per lidrogeno R 3,29·10 15 Hz), Z è il numero atomico e m e n due numeri naturali con n > m

113 Ma il modello di Bohr dice che: dove si è posto Z = 1 per latomo di idrogeno. Ponendo m = 1, n = 2,3,4… si ottiene la serie di Lyman (ultravioletto). Ponendo m = 2, n = 3,4,5… si ottiene la serie di Balmer (visibile). Ponendo m = 3, n = 4,5,6… si ottiene la serie di Paschen (infrarosso). m = 4, n = 5,6,7 serie di Brackett m = 5 n = 6,7,8 serie di Pfund

114

115 m = 2: n = 3 = 4,57·10 14 Hz da cui = nm, ossia H. n = 4 H ( = nm) n = 5 H ( = nm) n = 6 H ( = nm)

116 W. HEISENBERG Nel 1927 Wemer Heisenberg formulò in principio di indeterminazione secondo il quale è impossibile conoscere simultaneamente e con assoluta precisione sia la posizione (x), sia la quantità di moto (p) di un elettrone.

117 Conoscere significa misurare, misurare significa perturbare Per misurare la POSIZIONE di un oggetto microscopico come un elettrone occorre investirlo con un raggio di luce (fotoni) o comunque qualcosa che in ultima analisi risulta avere all'incirca le medesime dimensioni dell'elettrone. Questo fa si che l'elettrone risulti perturbato da questa interazione che ne modifica inesorabilmente la velocità.

118 E. SCHRODINGER Erwin Scrodinger pubblicò nel 1926 un saggio riguardante unequazione con la quale è possibile calcolare la funzione donda dellelettrone e quindi calcolare la probabilità di trovare un elettrone in un dato punto dellorbitale e anche il suo livello energetico. Le soluzioni dellequazione di Schrodingher: funzioni donda, ψ permettono di calcolare le energie quantizzate degli stati elettronici. Ψ 2 (densità di probabilità), calcolato per una determinata porzione di spazio, esprime la probabilità di trovare lelettrone nello spazio considerato

119 e per i più curiosi……… Atomo di idrogeno: equazione di Schrödinger

120 ψ funzione d'onda (orbitale) ψ 2 probabilità di trovare l'elettrone Energia quantizzata (E) numeri quantici n l ml ms Robert Mulliken Nel 1932 coniò il termine orbitale

121 Gli elettroni Si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante 4 numeri quantici: n numero quantico principale che determina l'energia dellelettrone nell'orbitale. l numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell' orbitale m numero quantico magnetico in relazione con l'orientazione dell'orbitale nello spazio s numero quantico che esprime lo spin dellelettrone ( la polarizzazione dellonda) principio di esclusione di Pauli: non possono esistere nello stesso atomo due o più elettroni con gli stessi numeri quantici, ossia nello stesso stato energetico. Da ciò deriva che ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con spin opposto.

122 n numero quantico principale, determina l'energia dell'orbitale n 1 (1,2,3.....) l numero quantico di momento angolare o secondario o azimutale 0 l (n-1) determina la forma dell'orbitale m numero quantico magnetico -l m l (-l,-l+1,...,l-1,l) determina la direzione di sviluppo dell'orbitale in un campo magnetico m s numero quantico di spin +1/2 ; -1/2

123 Distribuzioni radiali di probabilità (probabilità di trovare lelettrone ad una certa distanza dal nucleo) ORBITALI

124 Confronto tra gli orbitali 1s 2s 3s con la presenza di 0, 1 e 2 nodi radiali

125 Orbitali Atomici s orbitali sferici

126 Orbitali Atomici orbitali p

127 Orbitali Atomici orbitali d orbitali f

128 = 0 orbitale tipo s 1s 2s z x y z x y pxpx z x y pypy = 1 orbitale tipo p pzpz Che cosa indica l, il numero quantico angolare?

129 Alcuni esperimenti hanno mostrato che gli elettroni ruotano (in inglese: to spin) attorno ad un asse ed, essendo particelle cariche, generano un debole campo magnetico N S N S Lelettrone ha un momento angolare intrinseco : spin (esperimento di Stern-Gerlach, 1922)

130 Numero quantico di spin NS Un elettrone possiede un numero quantico di campo magnetico di spin, che può avere solo due valori, s = + ½ e s = - ½. Una particella carica, che ruota su stessa, genera un campo magnetico.

131 In presenza di più elettroni lenergia degli orbitali risente dellinterazione elettrone-elettrone Il principio Aufbau descrive lordine di riempimento degli orbitali

132 Configurazioni elettroniche

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