La luce bianca è scomposta dal prisma in uno spettro continuo. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 5-11 Illustrazione della lunghezza d’onda e della frequenza di onde in mare. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Sir Isaac Newton, uno dei giganti della scienza. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Relazioni tra le grandezze che identificano l’onda: E (Energia, J) u (Frequenza, Hz) (lunghezza d’onda, m) E = h u = c / l E = h (c/l) h = 6,626 . 10-34 J s c = 3,00 . 108 m s-1

Figura 5-12 Dispersione della luce visibile in un prisma. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 5-13 L’effetto fotoelettrico. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 5-14 (a) Emissione atomica. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 5-15 Spettri atomici nella regione del visibile per alcuni elementi. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Atomo di Bohr Stato stazionario: ogni stato ad energia definita e fissa Atomo irradia E solo quando passa da uno stato all’altro Elettrone su orbite circolari Momento angolare multiplo di h/2p: mvr = n (h/2p) n = 1,2,3,4, ……..

Forza coulombiana = Forza centrifuga Atomo di Bohr Forza coulombiana = Forza centrifuga Ze2/r2 = mv2/r Ze2/r = mv2 Dal postulato (4) di Bohr: mvr = n (h/2p) v2 = Ze2 / mr = n2h2 / (2p)2 m2 r2 r = n2h2 / (2p)2 m Ze2

Etot = 1/2 Ze2/r - Ze2/r = - 1/2 Ze2/r Atomo di Bohr Calcolo di Energia, En Etotale = Ecin + Epot = 1/2mv2 - Ze2/r Ze2/r = mv2 Etot = 1/2 Ze2/r - Ze2/r = - 1/2 Ze2/r r = n2h2 / (2p)2 m Ze2 En = - 2p2 m Z2 e4 / n2 h2

Figura 5-16 Il punto al centro rappresenta il nucleo. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Il fisico danese Niels Bohr fu uno dei più influenti scienziati del XX secolo. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 5-17 I livelli di energia che l’elettrone di un atomo di idrogeno può occupare ed alcune transizioni che producono lo spettro di emissione di tale elemento. Dal volume: Whitten “Chimica Generale” Piccin Nuova Libraria S.p.A.

Figura 7.1 – Frequenza e lunghezza d’onda La figura mostra tre onde con differenti lunghezze d’onda () e quindi con tre differenti frequenze (). È importante notare che, al diminuire della lunghezza d’onda, la frequenza aumenta, e viceversa. La lunghezza d’onda dell’onda in alto è 2 volte quella dell’onda in centro e 4 volte quella dell’onda in basso. Perciò la frequenza dell’onda in alto è 1/2 di quella dell’onda in centro e 1/4 di quella dell’onda in basso.

Figura 7.2 – Ampiezza (intensità) di un’onda L’ampiezza di un’onda è rappresentata dall’altezza di una cresta (o dalla profondità di una valle) dell’onda. Le due onde mostrate nella figura hanno la stessa lunghezza d’onda (lo stesso colore nel caso di onde luminose) ma differenti ampiezze e, quindi, differenti intensità (“brillantezze” nel caso di onde luminose).

Figura 7.3 – Regioni dello spettro elettromagnetico Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche (spettro elettromagnetico) si estende dalle lunghezze d’onda molto corte (frequenze molto alte) dei raggi  (gamma) alle lunghezze d’onda molto lunghe (frequenze molto alte) delle radioonde, passando per la regione visibile. La regione visibile, relativamente stretta, è espansa (e la scala è resa lineare) per mostrare i colori componenti.

Figura 7.4 – Differenti comportamenti di onde e particelle A. Un’onda che si propaga dall’aria all’acqua si rifrange (varia la propria direzione di propagazione). B. Per contro, una particella di materia (quale un sasso) che entra in uno stagno segue una traiettoria curva perché la maggiore resistenza del mezzo in cui si muove (l’acqua) ne rallenta gradualmente il moto. C. Un’onda piana si diffrange attraverso una piccola apertura, dando origine a un’onda circolare oltre l’apertura. (Le linee rappresentano le creste delle onde in acqua viste dall’alto). D. Per contro, quando un fascio di particelle in moto incontra una piccola apertura, come quando una manciata di sabbia è lanciata contro un foro in una tavola verticale, alcune particelle attraversano il foro e proseguono lungo le loro traiettorie iniziali.

Figura 7.5 - La figura di diffrazione generata dalla luce che attraversa due fenditure adiacenti A. Dopo che le onde luminose piane hanno attraversato due fenditure ravvicinate, le onde sferiche emergenti interferiscono l’una con l’altra, generando su una pellicola fotografica su cui incidono una figura di diffrazione (interferenza). Compaiono regioni chiare (luminose) dove le creste delle onde si sovrappongono l’una all’altra rafforzandosi reciprocamente (onde in accordo di fase) e regioni oscure (buie) dove le creste si sovrappongono alle valli e si elidono con queste (onde in opposizione di fase). B. La figura di interferenza formata sulla pellicola.

Figura 7.7 – L’effetto fotoelettrico Quando un fascio di luce monocromatica di frequenza abbastanza alta illumina una lamina metallica, da questa vengono emessi elettroni, che raggiungono l’elettrodo positivo e poi fluiscono nel circuito esterno: il movimento degli elettroni emessi per effetto fotoelettrico (fotoelettroni) costituisce una corrente elettrica (corrente fotoelettrica).

Figura 7.8 – Gli spettri a righe di alcuni elementi A. Un campione di H2 gassoso è dissociato negli atomi componenti ed eccitato da una scarica elettrica. La luce emessa attraversa una fenditura e un prisma, che disperde la luce nelle lunghezze d’onda componenti. È mostrato lo spettro a righe (spettro discontinuo) dell’idrogeno atomico (in alto). B. Lo spettro continuo della luce bianca è confrontato con gli spettri a righe del mercurio e dello stronzio. È importante il fatto che ogni spettro a righe sia diverso dagli altri.

Figura 7.9 - Tre serie di righe spettrali dell’idrogeno atomico Queste serie compaiono in differenti regioni dello spettro elettromagnetico. Lo spettro dell’idrogeno mostrato nella Figura 7.8A è la serie spettrale visibile.

Figura 7.10 – La “scalinata quantica” In questa analogia per i livelli energetici dell’atomo di idrogeno, un elettrone può assorbire un fotone e salire su un “gradino” (stato stazionario) più alto o emettere un fotone e scendere su un “gradino” (stato stazionario) più basso. Ma l’elettrone non può situarsi in una posizione intermedia tra i due gradini.

Figura 7.11 - La spiegazione di Bohr delle tre serie di righe spettrali. A. A. Secondo il modello di Bohr, quando un elettrone cade da un’orbita esterna (più lontana dal nucleo) in un’orbita interna (più vicina al nucleo), esso emette un fotone di specifica energia. È importante notare che ciascuna delle tre serie è caratterizzata da una particolare orbita interna (un particolare valore di n1 nell’equazione di Rydberg). Il raggio dell’orbita è direttamente proporzionale a n2. Sono mostrate soltanto le prime cinque orbite. Segue…

Figura 7.11 - La spiegazione di Bohr delle tre serie di righe spettrali. B. B. Un diagramma energetico mostra come si origina la serie ultravioletta. Quando un elettrone cade da una particolare orbita esterna in una particolare orbita interna, la differenza di energia (rappresentata con una freccia orientata all’ingiù) si manifesta come un fotone di particolare lunghezza d’onda e dà origine a una delle righe spettrali nella serie. Entro ciascuna serie, maggiore è la differenza tra i raggi delle orbite, maggiore è la differenza tra i livelli energetici, e maggiore è l’energia del fotone emesso. Per esempio, nella serie ultravioletta, in cui n1 = 1, quando un elettrone cade da n = 5 a n = 1, esso emette un fotone con energia maggiore ( minore, maggiore) di quella del fotone che l’elettrone emette quando cade da n = 2 a n = 1. [Sull’asse verticale sono indicati valori negativi perché n =  (l’elettrone completamente separato dal nucleo) è, per definizione, l’atomo con energia zero]

Figura 7.12 - L’analogia del piano di un tavolo per l’energia dell’atomo di idrogeno Se si assegna, per definizione, energia potenziale zero al sistema quando il libro è appoggiato sul tavolo, il sistema ha energia negativa quando il libro giace sul pavimento. Analogamente, l’atomo di idrogeno, per definizione, ha energia zero quando l’elettrone è completamente separato dal nucleo, e quindi la sua energia è negativa quando l’elettrone è attratto dal nucleo.

Figura B7.2 - Spettro di emissione e spettro di assorbimento degli atomi di sodio Le lunghezze d’onda delle righe di emissione chiare (luminose) corrispondono a quelle delle righe di assorbimento oscure (buie) perché le une e le altre sono generate dalla stessa variazione di energia: DEemissione = -DEassorbimento. (Qui sono mostrate soltanto le due più intense righe negli spettri atomici del sodio).

Figura B7.3 - I principali componenti di un tipico spettrometro

Figura B7.4 - Lo spettro di assorbimento della clorofilla a La clorofilla a è uno dei numerosi pigmenti delle foglie. Assorbe fortemente le lunghezze d’onda rosse e blu, ma molto debolmente quelle verdi o gialle. Perciò, le foglie contenenti grandi quantità di clorofilla a appaiono di colore verde. Il forte assorbimento a 663 nm può essere usato per quantificare la quantità di clorofilla a presente in un estratto di foglie.

Figura 7.13 – Moto ondulatorio in sistemi ristretti A. In un’analogia acustica delle onde associate all’elettrone, una semilunghezza d’onda (/2) è il “quanto” della vibrazione della corda della chitarra. La lunghezza L della corda è fissa e quindi le uniche vibrazioni permesse si instaurano quando L è uguale a un multiplo di  /2 secondo un numero intero (n). B. Se un elettrone occupa un’orbita circolare, sono permessi soltanto numeri interi di lunghezze d’onda (qui sono mostrati n = 3 e n = 5). Un’onda con un numero frazionario di lunghezze d’onda (quale n = 31/3) è “proibita” perché si estingue rapidamente mediante la sovrapposizione di creste e valli.