L'atomo e i quanti di energia Laboratorio estivo di Fisica Moderna Università Cattolica del Sacro Cuore di Brescia 14-16 Luglio 2014 L'atomo e i quanti di energia Cozzo Gabriele Fedeli Valeria Lucchini Riccardo Meli Giuliano Risotto Ramiro Bariselli Andrea Bortolotti Luca Misso Giovanni Treccani Simone Zuccoli Alessandro

JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940) Modello atomico di Thomson ( Plum Pudding); Esso, elettricamente neutro, presenta un numero uguale di elettroni negativi e positivi.

Tubo catodico utilizzato da Thomson nei suoi esperimenti

ESPERIMENTO: Apparato strumentale Bobine di Helmoltz Asta graduata Bulbo di vetro Amperometro Cavi elettrici Generatore

Svolgimento dell'esperimento: Fascio di elettroni Forza di Lorentz   Rappresentazione grafica della formula

e/m teorico = 1,76*1011 C/kg 150 Volt < V < 300 Volt       e/m teorico = 1,76*1011 C/kg Limitazioni strumentali 150 Volt < V < 300 Volt I < 2 Ampère

Il modello di Rutherford Nel 1896 Thomson aveva scoperto l'elettrone e aveva dato un suo modello di atomo: un fluido di carica positiva che ospitava gli elettroni. Rutherford nel 1906 confutò il modello dell'atomo, detto a “panettone”, di Thomson. Con il suo esperimento si aspettava di confermare il modello di Thomson, invece ottenne un risultato inaspettato: gli atomi si comportavano come se avessero un nucleo denso e di carica positiva.

L’idea L’idea era questa: colpire atomi con particelle di carica positiva come le α (nuclei di elio), per ottenere informazioni sulla distribuzione delle cariche nell’atomo. Se il modello atomico di Thomson, in cui le cariche elettriche sono distribuite uniformemente nell’intera struttura, fosse stato corretto le particelle α avrebbero attraversato indisturbate l’atomo. + + Particella α Atomo di Thomson Particelle α

L’esperimento L’apparato è composto da una sorgente di particelle α, una sottilissima lamina metallica e un materiale sensibile alle α. Rutherford usò una lamina d’oro e un rivelatore al solfuro di zinco, noi una lamina di alluminio e un sensore elettronico. Inoltre la nostra sorgente non aveva le stesse caratteristiche di quella usata da Rutherford. Si scopre contro ogni aspettativa che alcune particelle interagiscono con la lamina e sono deviate o addirittura riflesse.

Risultati Angolo Numero di particelle α 15° 4 12,5° 2 10° 10 7,5° 109 5° 632 2,5° 1925 0,5° 3124 -0,5° 3212 -2,5° 2595 -5° 1279 -7,5° 316 -10° 32 -12,5° 8 -15° 3 Rutherford ottenne notevoli risultati, rilevando anche particelle deviate di oltre 90°. Noi, avendo una sorgente molto meno potente e poco regolare e un tempo di osservazione limitato, abbiamo registrato solo deviazioni più lievi, in un intervallo di 30°. Fascio temporalmente non coerente, non collimato, di particelle a diversa energia. Il telaio, inoltre, riduceva l’angolo a disposizione per l’osservazione.

Osservazioni Il numero di particelle decresce teoricamente secondo il fattore Ciò significa che tende all'infinito per θ=0 e decresce molto velocemente. Per questo motivo per angoli vicini a 0° il valore teorico si discosta dall'esperienza. Inoltre ci è stato difficile rilevare particelle a distanze maggiori di 15°.

In seguito a questo esperimento Rutherford pensò ad un modello con un nucleo molto piccolo in cui fosse concentrata la massa di carica positiva e con elettroni orbitanti attorno ad esso. In questo modo dava una spiegazione alla deviazione e alla riflessione di alcune particelle

Questo sistema aveva però un difetto: non era stabile! Un elettrone, infatti, muovendosi di moto accelerato, perde energia avvicinandosi al nucleo. Gli elettroni del modello Rutherford quindi avrebbero dovuto precipitare sul nucleo in poche frazioni di secondo!!! Soltanto successivamente Bohr con la teoria della quantizzazione delle orbite riuscì a rimediare a questo problema. La sua teoria deriva dall'osservazione degli spettri luminosi dei gas.

GLI SPETTRI A RIGHE Lo spettro in fisica è la figura di diffrazione creata dalla scomposizione delle radiazioni elettromagnetiche.

L' IMPORTANZA DEGLI SPETTRI A RIGHE Lo studio degli spettri permette di individuare una certa specie chimica.

I POSTULATI DI BOHR I Un elettrone in un atomo si muove su un' orbita circolare attorno al nucleo sotto una forza coulombiana secondo le leggi della meccanica classica. II Un elettrone si muove su ciascuna orbita senza emettere radiazioni quindi l' energia rimane costante. III Un elettrone emette una radiazione elettromagnetica se cambia il suo moto per passare da un' orbita all' altra.

A differenza del modello atomico di Rutherford, in quello di Bohr gli elettroni non sono posizionati in una qualsiasi orbita, ma secondo un criterio non arbitrario per cui possono scambiare con l'esterno solo determinate quantità di energia.

Bohr, che a quel tempo lavorava con Rutherford, propose un modello che, applicando all'atomo di Rutherford la quantizzazione dell'energia introdotta da Planck, riusciva a giustificare lo spettro dell'idrogeno.

Gli elettroni possono occupare solo stati quantizzati di energia (orbite); questi stati hanno energie diverse e quello con energia inferiore è detto stato fondamentale. Un elettrone può operare una transizione da un livello di energia ad un altro solo assorbendo o emettendo radiazione (III postulato).

Spettro Continuo Spettro a Righe

Tutto inizia dalla lampada che crea un' elevata differenza di potenziale tale da costringere gli elettroni ad attraversare un tubo di vetro contenente gas. Il gas emette luce: ciò è dovuto alle interazioni che avvengono tra gli atomi e la scarica elettrica. La luce policromatica, prodotta con questo apparato, viene condotta, con un sistema di fenditure e lenti, ad un prisma o ad un reticolo di diffrazione, i quali scompongono tale raggio nelle sue varie componenti monocromatiche

Analisi dei dati sperimentali Lo scopo dell'esperimento è riprodurre le condizioni che hanno permesso a Bohr di formulare la sua teoria atomica. Con l'analisi dei dati si nota infatti che ogni diverso elemento possiede specifiche bande di emissione. Esse, a loro volta, sono in diretta correlazione col modello teorizzato dal fisico danese e con le diverse dinamiche che coinvolgono gli elettroni all'interno dell'atomo.

Dati sperimentali: neon Y I NTENS TA' Righe spettrali ANGOLO DI RIFRAZIONE X

  

Dati sperimentali: idrogeno Y I NTENS TA' E' possibile ricavare la lunghezza d' onda di ogni banda con la formula: sin( [nm] 520nm 704nm ANGOLO DI RIFRAZIONE X