Interazioni (Forze) fondamentali della natura Interazione Gravitazionale (corpi dotati di massa) Interazione Elettromagnetica (fenomeni elettromagnetici, luce, radiazione) Interazione Forte (nuclei atomici) Interazione Debole (decadimenti radioattivi) L’origine delle interazioni (forze) sono le cariche delle particelle   interazione Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Struttura della materia ordinaria La materia ordinaria è composta da atomi Gli atomi sono costituiti da tre tipi di particelle: elettroni, protoni e neutroni RAPPRESENTAZIONE DELLA STRUTTURA DELL’ATOMO Z = numero atomico A = numero di massa Nel Nucleo: Z protoni A – Z neutroni Z elettroni esterni 10-10 m 10-15 m Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Carica elettrica cariche elettriche dello stesso segno (+ +) o (- -) La carica elettrica (q) è la proprietà delle particelle sensibili alla forza (interazione) elettromagnetica, così come la massa (o carica) gravitazionale (m) è la proprietà delle particelle sensibili alla forza gravitazionale). Forza elettrica (elettrostatica) (interazione elettromagnetica tra particelle con carica elettrica) Particelle in quiete  cariche elettriche dello stesso segno (+ +) o (- -) si respingono    cariche elettriche di segno opposto (+ -) o (- +) si attraggono  Forza elettrica attrattiva o repulsiva    due tipi di cariche elettriche: positiva e negativa La forza gravitazionale è solo attrattiva: esiste un solo tipo di massa (carica) gravitazionale Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Carica elettrica elementare Osservazioni Tutte le particelle che hanno carica elettrica hanno anche massa gravitazionale. Non tutte le particelle che hanno massa gravitazionale hanno carica elettrica (es.: neutrone, particella elettricamente neutra) La carica di una particella non dipende dal suo stato di moto: essa è uno scalare invariante, indipendente dal sistema di riferimento in cui viene misurata (principio di invarianza della carica elettrica) (precisione: 1/1020 - neutralità della molecola di idrogeno). 1897: scoperta dell’elettrone (J. J. Thomson) e misura del rapporto tra il valore della carica elettrica e della massa: Carica elettrica elementare Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Massa e Carica elettrica delle particelle fondamentali degli atomi Evidenza sperimentale: nessuna particella libera ha una carica elettrica con un valore minore di quello della carica dell’elettrone (carica elementare e). 1909 - 1917: serie di misure sperimentali del valore della carica dell’elettrone (R. Millikan). Valore di e (Cohen e Taylor (1986)): Massa e Carica elettrica delle particelle fondamentali degli atomi Eguaglianza del valore della carica dell’elettrone e del protone: precisione = 1/1020. Particella Simbolo Massa (kg) Carica (e) elettrone e me= 9.109110-31 - e protone p mp= 1.672510-27 +e neutrone n mn= 1.674810-27 mp/me= 1836 mn/mp= 1.0014 Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Quantizzazione della carica elettrica Evidenza sperimentale: la carica elettrica è una grandezza quantizzata, cioè può avere solo valori multipli della carica elementare: Carica elettrica Atomi neutri e Ioni   Atomo Neutro Ione+n Ione-n Numero Carica protoni Z +Ze neutroni A-Z elettroni -Ze Z-n -(Z-n)e Z+n -(Z+n)e Carica totale +ne -ne Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Conservazione della carica elettrica (uno dei principi fondamentali della Fisica) (sistema isolato: regione dello spazio chiusa la cui superficie di confine non può essere attraversata da materia elettricamente carica).    • Il principio di conservazione della carica elettrica è verificabile a livello macroscopico e, con precisazione molto elevata, anche a livello microscopico delle particelle subnucleari. Esempi:   “decadimernto alfa“ radioattivo; es.: nucleo di uranio che si trasforma in un nucleo di torio più un nucleo di elio (particella alfa): Z(U)=Z(Th)+Z(He) 92 = 90 + 2 “annichilazione materia-antimateria”: una coppia elettrone - positrone si trasforma in due raggi gamma (pura energia):   e-+e+  2g Z(e)+ Z(anti-e) = Z(g) -1 + +1 = 0  In un sistema isolato la somma algebrica delle cariche elettriche è costante Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Corpi carichi di elettricità La materia allo stato normale è elettricamente neutra: atomi neutri con lo stesso numero di elettroni (carica -e) e protoni (carica +e). Q = Carica elettrica di un corpo elettrizzato = (numero di elettroni in eccesso o in difetto) x (carica elementare) = ± n e Conduttori di elettricità: sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di forze elettriche (elettroni di conduzione nei metalli, ioni nelle soluzioni acquose). Isolanti (dielettrici): gli elettroni sono vincolati agli atomi (es.: vetro, ebanite). Semiconduttori: classe di materiali intermedia tra i conduttori e gli isolanti per le loro proprietà di condurre elettricità (es. : silicio, germanio). Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Esempi di elettrizzazione 1. Strofinio (isolanti) V(+) (elettrizzazione vetrosa) V   V   R R(-) (elettrizzazione resinosa) R   R   V   2. Induzione (metalli) Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Intensità di corrente elettrica Carica totale che attraversa la sezione di area A nell’unità di tempo: Unità di misura nel sistema SI: ampère (A = C s-1)   Valori di cariche elettriche Q (C) Correnti in circuiti integrati (t = 10-6 s) 10-18 - 10-12 Fascio di elettroni (tubo televisivo) (t = 10-6 s) 10-9 Tipica carica per strofinio 10-7 Corrente in una lampadina (t = 1 s) 1 Elettroni liberi in 1 mm3 di rame 13 Elettroni in 1 mm3 di silicio 2 10-12 Corrente in un fulmine (t = 1 s) 104 Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Distribuzioni di cariche elettriche Cariche puntiformi: costituite, nella realtà, da particelle come i protoni e gli elettroni. Distribuzione discreta N cariche puntiformi (q1, q2, ..., qN) distribuite nello spazio Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Distribuzioni continue Si introduce la grandezza scalare densità di carica elettrica. Densità volumica di carica (unità di misura nel SI: C m-3) Carica totale distribuita nel volume V : Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Densità superficiale di carica (unità di misura nel SI: C m-2) Carica totale distribuita sulla superficie S: Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02

Densità lineare di carica (unità di misura nel SI: C m-1) Carica totale distribuita sulla lunghezza l: Lezione n. 1 Corso di Fisica B, C.S.Chimica, A.A. 2001-02