ONDE ELETTROMAGNETICHE

+ ONDE ELETTROMAGNETICHE campo elettrico UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO; corrente campo magnetico QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO MAGNETICO VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE NEL TEMPO GENERA UN CAMPO ELETTRICO QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA’ ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICO UNA CARICA ELETTRICA IN MOTO EMETTE O ASSORBE ONDE ELETTROMAGNETICHE QUANDO E’ SOGGETTA AD ACCELERAZIONI

ONDE ELETTROMAGNETICHE LE PROPRIETA' DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE E DELLA LORO PROPAGAZIONE SONO SINTETIZZATE NELLE EQUAZIONI DI MAXWELL Dalla risoluzione delle equazioni di Maxwell risulta che: E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto alla velocità della luce C = 3*108 m/s

CHE COSA E' UN' ONDA? Onda Perturbazione dello stato di un corpo o di un campo dovuto al trasporto di energia. Le onde acustiche trasmettono energia al mezzo in cui si propagano attraverso il moto vibrazionale delle molecole. A vibrare sono i vettori posizione, velocità e accelerazione. Le onde elettromagnetiche trasmettono energia perturbando lo stato del campo elettromagnetico. A vibrare sono i campi elettrici e magnetici. Onda periodica Onda che presenta la stessa configurazione in intervalli successivi. Un’onda sinusoidale è un’onda periodica la cui descrizione è data da una funzione trigonometrica. 4

COME si CARATTERIZZA UN'ONDA Lunghezza d’onda [m] () Distanza, in un’onda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale). Frequenza [Hz=s-1] (f oppure ) Numero di ripetizioni di un’onda nell’unità di tempo. Periodo [s] (T) Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali. Velocità [m/s] (v) Velocità di movimento del fronte d’onda. Ampiezza (A) Legata alla quantità di energia trasportata.

Esercizio: calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo 10 msec [f=100 Hz] Esercizio: calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è 340 m/s [λ = 3.4 m]

ONDE MECCANICHE

ONDE MECCANICHE: onde acustiche

v = l f 20 Hz < f < 2 104 Hz varia = 344 m s–1 ONDE SONORE sensibilità orecchio umano 20 Hz < f < 2 104 Hz infrasuoni ultrasuoni v = l f varia = 344 m s–1 17.2 m < l < 1.72 cm vH2O = 1450 m s–1 72.5 m < l < 7.25 cm

Velocita' di progazione delle onde acustiche

disegno ONDE ELETTROMAGNETICHE Vibrazione dei campi elettrico e magnetico disegno Intensità: l’energia che un’onda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo di tempo t: I=E/(A*t) (W/m2)

Esercizio: calcolare la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica di frequenza 6x1014 Hz [500 nm]

SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

Ogni tentativo di applicare le leggi della meccanica classica e dell’elettromagnetismo a atomi e molecole e’ risultato infruttuoso Meccanica quantistica (orbitali, legami, quantizzazione orbite) Planck: scambi di energia su scala atomica avvengono solo per quantità molto piccole ma irriducibili dette quanti Einstein: fotone, particella priva di massa con energia e quantità di moto definite A qualsiasi frequenza le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse e assorbite sotto forma di fotoni

TEORIA DEI QUANTI Lo studio dell’interazione tra le onde elettromagnetiche e gli atomi e le molecole ha condotto alla scoperta di proprietà corpuscolari delle onde elettromagnetiche

Esercizio: quanto vale l’energia trasportata da un fotone di lunghezza d’onda 600 nm [E= 2 eV]

NUCLEO E FORZA NUCLEARE

X + L’ ATOMO Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI) Raggio del nucleo  10-15 m = 1fm Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI) costituiscono il NUCLEO dell’atomo, attorno al nucleo sono disposti su differenti orbite gli elettroni (e) X Z : NUMERO ATOMICO numero dei protoni e degli elettroni dell’atomo A: NUMERO DI MASSA numero dei protoni + neutroni presenti nell’atomo

TRANSIZIONI ATOMICHE Gli elettroni sono legati nell’atomo, ovvero la transizione di un elettrone a un qualsiasi livello diverso da quello fondamentale avviene al prezzo della somministrazione di una quantita’ di energia pari alla differenza energetica tra i due livelli, mentre l’elettrone si libera dall’atomo solo fornendo un’energia pari all’ energia di legame.

La forza di attrazione coulombiana tra due protoni nel nucleo vale circa 25 kg peso. La forza di gravita’ tra le masse protoniche e’ attrattiva ma totalmente insufficiente ad opporsi alla repulsione coulombiana: alle distanze nucleari e’ dell’ordine di 10-30 dyne. E’ necessario ipotizzare l’esistenza di una forza attrattiva che agisce solo nel nucleo (a breve raggio d’azione dunque) e molto intensa. Questa forza e’ chiamata forza nucleare forte. Nei nuclei agisce anche una seconda forza nucleare, chiamata forza nucleare debole, responsabile di alcuni fenomeni nucleari come certi decadimenti radioattivi.

LA FORZA NUCLEARE FORTE Energia potenziale nucleare in funzione della distanza di separazione nucleone-nucleone Raggio del nucleo10-15 m= 1fm r (fm) forza repulsiva forza attrattiva U(r) 1.5 0.5 1 Raggio del nucleo  10-15 m = 1fm

UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA Usualmente si misurano le masse degli atomi in UNITA’ DI MASSA ATOMICA a.m.u. che è 1/12 della massa di 1 atomo di 12C 1 a.m.u.=( 1.99*10-23 g) / 12 = 1.66*10-24 g mp= 1.007593 a.m.u. mn= 1.008987 a.m.u. me= 0.000552 a.m.u. Per un generico atomo di numero atomico Z e numero di massa A M(a.m.u.) = Z mp + (A-Z) mn + Z me Esercizio: quanto vale la massa del 17O espressa in a.m.u.? [17.146043]

DIFETTO DI MASSA DEI NUCLEI La massa del 17O, calcolata a partire dalle singole masse atomiche dei suoi costituenti, vale 17.146053 a.m.u., eppure la misura sperimentale risulta 17.004553 a.m.u.; i due valori presentano una discrepanza Δm=0.131510 a.m.u. che prende il nome di DIFETTO DI MASSA e si riscontra in tutti i nuclei. I neutroni e i protoni sono legati nel nucleo come gli elettroni sono legati nell’atomo. Come per separare gli elettroni nell’atomo bisogna fornire un’energia pari all’energia di legame, allo stesso modo per separare i neutroni dal nucleo bisogna fare del lavoro. Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro che deve essere fatto per separare i protoni e i neutroni dal nucleo. L’energia di legame per nucleone del 17O vale dunque 122/17= 7.20 MeV Esercizio: si calcoli il difetto di massa del 17O in g Esercizio: per mezzo dell’equivalenza massa-energia, stabilita dalla teoria della relativita’ E=mc2, si calcoli l’energia corrispondente al difetto di massa del nucleo di 17O

ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Energia di legame per nucleone (MeV) Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV 8 50 100 Numero di massa A Regione di massima stabilità Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte  l’energia di legame decresce

GLI ATOMI STABILI E INSTABILI Per A elevati, la repulsione coulombiana tende prevalere sulla forza nucleare forte: NEUTRONI n 20 82 PROTONI p N=Z Curva di stabilita’ per mantenere la stabilità il sistema reagisce arricchendo il nucleo di neutroni, anch’essi soggetti alla forza forte per Z>82 non esistono nuclei stabili i nuclei instabili che si formano “decadono” in altri nuclei 3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO

PROCESSI DI DECADIMENTO per A molto elevati decadimento ALFA XAZ XA-4Z-2 + He42 emissione di nuclei di elio per Z  N decadimento BETA XAZ XAZ+1 + e- +  emissione di elettroni o XAZ XAZ-1 + e+ +  positroni nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA XAZ * XAZ+  emissione di fotoni

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz Da dove originano?

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

Quanta energia viene emessa o assorbita nel corso di una transizione atomica? Decine di KeV

SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X f = E1-E2/h

ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Energia di legame per nucleone (MeV) Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV 8 Nel corso di una transizione nucleare vengono emessi decine di MeV 50 100 Numero di massa A Regione di massima stabilità Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte  l’energia di legame decresce

SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) f = E1-E2/h

SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio f = E1-E2/h

f = E1-E2/h Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio - emissione termica dall’infrarosso all’UV f = E1-E2/h