Percorso: ATOMO Laboratori estivi 2012 Andrea Baccolo, Caterina Pezzaioli, Elisa Ceppelli, Mattia Tosi Giulia Boifava, Ilaria Ottonelli, Paolo Rota, Vanezza Scalmana Maddalena Dimofte, Sara Cavagnini, Silvia Savoldi, Tiziano Freddi, Valeria Montini

Joseph John Thomson COME NASCE UNO SCIENZIATO? L’ESPERIMENTO 2

Joseph John Thomson nacque a Cheetham Hill il 18 dicembre del 1856 Joseph John Thomson nacque a Cheetham Hill il 18 dicembre del 1856. Si iscrisse nell'Owens College di Manchester nel 1870 e successivanmente, incoraggiato dal professore di matematica, riuscì ad entrare al Trinity College. Il 22 gennaio del 1890, sposò Rose Elisabeth. Nel 1896 Thomson si recò in America per un corso di quattro conferenze che riassumevano le sue ricerche. I testi di queste conferenze furono in seguito pubblicati in Discharge of Electricity through Gases (1897). Al suo ritorno si dedicò al miglior lavoro della propria vita, uno studio originale sui raggi catodici, che culminò nella scoperta dell'elettrone, che fu annunciata in una conferenza serale al Royal Institution, il 30 aprile del 1897. 3

Misurare e calcolare il rapporto tra carica e massa dell'elettrone L’ESPERIMENTO … Cosa serve? Obbiettivo: Misurare e calcolare il rapporto tra carica e massa dell'elettrone 2 Generatori 2 Bobine di Helmholtz 1 Bulbo di vetro con all'interno elio 1 Amperometro Catodo, anodo, regolatore di corrente e filamento metallico 4

Una volta regolata la strumentazione si genera un flusso di elettroni uscenti dal catodo Il flusso viene deviato dal campo magnetico prodotto dalle bobine di Helmholtz, assumendo una forma circolare (come nella figura a fianco). Se si agisce sul generatore di tensione si modifica la velocità degli elettroni e intervenendo sul regolatore di corrente si varia il campo generato dalle bobine, variando così la dimensione del cerchio formato dal flusso di elettroni, del quale poi viene registrato il raggio. 5

Per capire come si muovono gli elettroni viene applicato il Secondo principio della dinamica newtoniana: F=ma Quindi, considerando α uguale a 90°: ma=qvB Inoltre sapendo che: B=(Nμ0I)/R(5/4)3/2; q=e; e v2=(2eV)/m Si può affermare che il rapporto tre carica e massa dell'elettrone risulta: e/m=(2V)/(B2R2)‏ Ma l'unica forza presente nel sistema è quella data dalla Forza di Lorentz (F=qvBsinα) generata dalle bobine 6

Noi abbiamo ottenuto questi risultati: Per concludere, facendo una media dei valori ottenuti dalle misurazioni, il risultato è stato 2,28 ∙ 1011C/Kg, che, tenendo conto di un possibile errore di ± 8,6 ∙ 1010 C/Kg, si avvicina al valore ideale di 1,76 ∙1011 C/Kg 7

Ernest Rutherford (Barone di Nelson)‏ 1871-1937

Nel 1911 Ernest Rutherford annuncia la sua scoperta della struttura dell’atomo, Nel 1908,hanno assegnato il premio Nobel per la chimica, “per sue le ricerche sulla disintegrazione degli elementi e la chimica delle sostanze radioattive”. Nei primi anni della sua carriera a Cambridge nel laboratorio di J. J. Thompson, che proprio in quel periodo scopre l’elettrone, e in seguito all’Università McGill a Montreal, Rutherford ha trovato la spiegazione della natura della radioattività e ha mostrato che produce due tipi di radiazioni, da lui chiamate raggi α e β. Di origine neozelandese, arriva in Inghilterra nel 1895 a 24 anni con una borsa di studio: la sua carriera si svolgerà tutta fuori dalla sua patria. Dopo il periodo canadese, nel 1907 torna in Inghilterra all’Università di Manchester. Qui, con i suoi assistenti Geiger e Marsden, realizza l’esperimento che gli permette di elaborare il modello atomico.

Nel 1917 raggiunge il terzo risultato importante della sua carriera: per primo riesce a trasformare un elemento chimico in un altro, in particolare l’azoto in ossigeno. L’antico sogno degli alchimisti è realizzato. Nel 1919 torna a Cambridge, dove nel decennio successivo raccoglie intorno a sé un gruppo di ricercatori che arriverà a importanti risultati sotto la sua guida e ispirazione. Tra questi Chadwick, lo scopritore del neutrone, e Cockroft e Walton, che realizzano il primo acceleratore ad alta tensione. Rutherford muore nel 1937. Così recitava il suo necrologio sul New York Times: “E’ dato a pochi uomini di raggiungere l’immortalità e ancora meno sono coloro a cui è concesso raggiungere l’Olimpo mentre sono in vita. A Lord Rutherford sono riuscite entrambe le cose”.

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD OBIETTIVO: Verificare che il numero di particelle a sia funzione dell'angolo formato dal rilevatore (q) con la direzione del fascio secondo la formula: MATERIALI UTILIZZATI: Americio radioattivo che emette particelle a; una lamina d'oro ed una di alluminio; rilevatore di particelle mobile.

PROCEDIMENTO Creazione del vuoto nella camera sperimentale. Posizionamento del rilevatore secondo un angolo noto. Conteggio delle particelle rilevate nel tempo ad ogni angolazione.

PRIMO SET Lamina d'oro (Au, Z=79) di spessore 2 micrometri.

SECONDO SET Lamina d'alluminio (Al, Z=13) di spessore 7 micrometri.

MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo e la gran parte della massa di esso. Raggio dell’atomo 10-8 cm. Raggio del nucleo 10-12 cm. La carica del nucleo corrisponde al numero dei protoni che contiene e viene chiamata numero atomico. Gli elettroni vengono trattenuti dal nucleo mediante forze di natura elettrostatica (coulombiane).

L'assorbimento della luce

La Luce La luce fino alla fine dell'ottocento veniva considerata un’onda. Tuttavia questo schema non riusciva a spiegare completamente i fenomeni che riguardavano la luce. Fu introdotta anche una seconda teoria che considera la luce anche come un corpuscolo.

La scomposizione della luce Lo spettro visibile è quella parte dello spettro elettromagnetico che va indicativamente dai 300 ai 750 nm. Il fisico inglese Isaac Newton dimostrò che la luce, che vediamo bianca, è in realtà composta dai colori dello spettro solare fecendo passare un raggio di luce attraverso un prisma di cristallo. Il colore e' una percezione di precise frequenze di luce proveniente da un oggetto; il colore non è una proprietà del corpo stesso. A ciascuna frequenza della luce visibile è associato un determinato colore.

Assorbimento Interazione = colore bastoncelli e coni interazione con onde elettromagnetiche Interazione = colore bastoncelli e coni 20

L’esperimento Registrare la radiazione della lampada (I0) inviando la luce uscente dal monocromatore direttamente senza filtrarla. Registrare le radiazioni della luce trasmessa (It) filtrando la luce con alcuni vetrini colorati. Il confronto fra i due spettri: -notando quali regioni dello spettro incidente risultano assorbite -calcolando il coefficiente di trasmissione (T=It/I0).

Assorbimento della luce Display dell’Intensità della luce in mW manovella Fibra ottica vetrino Lampada allo xenon Sensore dell’intensità della luce trasmessa monocromatore

Il monocromatore 23

Spettrometro sperimentale In questo esperimento non compare più il monocromatore, in quanto lo spettrometro digitale è in grado di scomporre autonomamente la luce. Questo permette di ottenere lo spettro della luce incidente e gli spettri di trasmissione dei vari vetrini in modo molto più rapido e di provarne agevolmente varie combinazioni. Si possono quindi acquisire vari spettri di trasmissione e confrontarli sia con quello della sorgente che fra di loro.

Intensità delle onde Trasmesse 25

Coefficiente di Trasmissione 26