Laboratorio estivo di Fisica Moderna 2008 ATOMO Laboratorio estivo di Fisica Moderna 2008

Modelli atomici Modelli principali: Democrito (460 a.C.) ipotizza l’esistenza di particelle indivisibili chiamate “Atomi”... Modelli principali: J. J. Thomson (1865-1940) E. Rutherford (1871-1937) N. Bohr (1885-1962)

J. J. Thomson 1865-1940 Nasce a Cheetham Scopre dei corpuscoli di carica negativa, chiamati elettroni Nobel per la Fisica (1897) Realizza primo spettrometro di massa (1912) => determinare rapporto e-/m Scopre isotopi

Gli elettroni, carichi negativamente, sono distribuiti casualmente in una massa fluida di carica positiva.

E. Rutherford 1871-1937 Nasce a Brightwater Nobel per la Chimica (1908) Scopre nucleo atomico Trasmuta elemento chimico in un altro Avanza teorie sull’esistenza dei neutroni

Gli elettroni ruotano intorno al nucleo positivo secondo orbite circolari.

N. Bohr 1885-1962 Nasce a Copenaghen Nobel per la fisica (1922) Sviluppa il principio di complementarità Fonda CERN di Ginevra

Quasi tutta la massa atomica è nel nucleo, attorno al quale ruotano gli elettroni su orbite ben definite che rappresentano i vari stadi di energia. L’elettrone può cadere da un’orbita di alta energia ad una di bassa energia, producendo un fotone.

Esperimento di Thomson: apparato e/m Verificare in modo sperimentale il rapporto e/m

Formula utilizzata e/m = 2V/ (BR)^2 La forza di Lorentz agisce perpendicolarmente alla velocità v e al campo magnetico B: F = evB F = ma = m v2/R e/m = 2V/ (BR)^2 e = carica elettrica m = massa elettrone V= voltaggio B = costante magnetica (7,8 *10-4) * intensità di corrente (I) R = raggio preciso (media del raggio dx e sx)

Strumenti Utilizzati

Lettura dello strumento Il passo più importante sta nel stabilire la lunghezza del raggio grazie al righello a specchio.

Procedimento Fascio di elettroni accelerato Azionamento bobine Scelta di un determinato valore di voltaggio e intensità elettrica Individuazione raggio sx e dx tramite scala a specchio raccolta dati Applicazione formula

Raccolta dati

Errori sperimentali Errata lettura dello strumento (parallasse) Voltaggio o corrente troppo bassi o troppo alti Mal posizionamento del cannone elettrico Eventuali errori strumentali

Esperienza di RUTHERFORD (modello planetario) Apparato sperimentale utilizzato: sorgente radioattiva (Americio), lamina di alluminio, pompa a vuoto, cilindro a vuoto, rilevatore (fotodiodo a giunzione pn).

Modalità operative Monto il dispositivo Attraverso la pompa a vuoto pratico il vuoto nel cilindro Collego ad un computer il rilevatore. Posiziono la sorgente radioattive e la lamina di alluminio perpendicolarmente al rilevatore. Tramite il rilevatore misuro la corrente che vi giunge proporzionale al numero di particelle che, dopo aver attraversato la lamina in un intervallo di tempo definito (60s), lo colpiscono. Mantenendo fisso il rilevatore ruoto la lamina e la sorgente di un certo angolo θ compreso tra ±15° Ripeto le operazioni precedenti più volte variando angolo.

Dati Sperimentali

Curva Teorica

Osservazioni La maggioranza delle particelle alfa prosegue in linea retta. Alcune particelle sono deviate con un angolo diverso da 0. Maggiore è l’angolo minore è la quantità di particelle rilevate. Conclusioni Le particelle alfa(nuclei di elio) sono molto più piccoli dell'atomo, 10 -15. La maggiore componente dell'atomo era lo spazio vuoto. Non era concepibile una struttura atomica come quella rappresentata da Thomson.

Esperienza “Spettri a righe” Lo scopo dell'esperimento è quello di verificare la tesi di Bohr riguardante il modello atomico da lui proposto. nel 1913 per spiegare gli spettri a righe degli elementi.

Postulati del modello atomico di Bohr Gli elettroni si muovono su orbite circolari attorno al nucleo Un elettrone in moto su un orbita non irraggia Le orbite sono soggette a una condizione di quantizzazione del momento angolare L = n h/2p Gli elettroni possono emettere o assorbire radiazioni elettromagnetiche quando passano da un’orbita all’altra E2 - E1 = hn H: costante di Plank = 6.63*10^-34 J*s

Gli spettri a righe Se si fornisce energia ad un elettrone, questo è in grado di emettere, sotto forma di radiazione luminosa, questa stessa energia, tornando nel suo stato fondamentale. Tale energia emessa viene poi assorbita su lastre o appositi strumenti e rappresentata nei cosiddetti spettri a righe. 2 tipi di spettri: -continuo: dispersione della luce bianca nelle sue componenti -discontinuo: assorbimento di determinate lunghezze d’onda da parte di un particolare elemento

Spettrofotometro Materiale utilizzato Calcolatore per elaborazione dati Funzionamento

Descrizione dispositivo 1 Lampada a spettro contenente per ogni prova un elemento differente (1) Collimatore (2) Lenti per focalizzare il fascio luminosos proveniente dalla lampada (3) Base d’appoggio per lo strumento (4) Sensore luminoso (5) Sensore di posizione angolare (6) Reticolo di diffrazione con fenditure di diverse grandezze (7) 2 5 7 3 6 4

Prove eseguite Sodio La radiazione luminosa della lampada a Sodio (Na) produce, una volta diffratta, uno spettro di righe colorate.

Idrogeno Rosso Violetto Verde

Analisi Dati

Mercurio Viola1 Verde Viola2 Viola3 Giallo-arancio

Analisi Dati

Kripton sensibilità x 10 IR3 IR4 IR2 IR1

Kripton sensibilità x 100

Analisi Dati 1

Analisi Dati 2

Conclusioni Bohr, tramite l’esperienza degli spettri a righe riuscì a dimostrare la validità della sua teoria e dei suoi postulati e pose le basi per lo sviluppo della meccanica quantistica (energia quantizzata). Esso dimostrò anche che il raggio e l’energia dei livelli energetici sono calcolabili attraverso alcune formule matematiche. Es: nel caso dell’Idrgoeno H E1 = E (n=1) = -13.6 eV 1eV = 1.6*10^-19 J R1 = R (n=1) = 0.529 A = 0.5 * 10^-10 m = 5*10^-11 m

Gruppo Atomo Bodini Laura Danelli Matteo Ghidelli Ruben Lancini Davide Madonini Claudio Manzoni Martina Medeghini Fabio Zangarini Maria Paola Zatti Nadia