Radiazione e Materia. Insegnamento di Chimica Generale CCS CHI e MAT. Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione

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1 Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Insegnamento di Chimica Generale CCS CHI e MAT Radiazione e Materia Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

2 2 Teoria Quantistica e Struttura Atomica - Natura della Luce - Spettri Atomici - Dualità Onda-Particella di Materia ed Energia Stadium Corral Ferro su Rame (111)

3 Onde o Radiazioni Elettromagnetiche 3 Campi elettrici e magnetici che oscillano in direzioni perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell onda. E e Lunghezza d onda Componente sinusoidale del campo elettrico (E) E m propagazione Componente sinusoidale del campo magnetico (H) Le onde si propagano nel vuoto con velocità della luce (c = m s -1 )*. *(prima determinazione nel da parte dell astronomo danese Ole Roemer)

4 Radiazione Elettromagnetica 4 LUNGHEZZA D ONDA - La distanza tra punti identici su onde successive. ( ) FREQUENZA - Il numero di onde che passano per un particolare punto al secondo. () AMPIEZZA - La distanza verticale alla metà di un picco, o che taglia a metà l onda. Numero d onda L inverso della lunghezza d onda () c cicli m m s cicli s c = velocità della luce = m s -1 (nel vuoto) c 1 c c

5 Frequenza e Lunghezza d Onda 5 1 secondo c = 2 cicli al secondo (Hertz = s -1 ) 2 = 4 cicli al secondo (4 Hertz) = 8 cicli al secondo (8 Hertz) Numero d onda

6 Ampiezza di un Onda 6 ampiezza superiore (più brillante) ampiezza inferiore (più tenue)

7 Regioni dello Spettro Elettromagnetico nm 760 nm Frequenza [Hz] Ultravioletto Visibile Infrarosso Raggi cosmici Raggi gamma Raggi X Ultravioletto Visibile Infrarosso Microonde Radar Televisione NMR Radio ultrasonico Sonico (udibile) Infrasonico Lunghezza d onda [m] E = h = c /

8 Lo Spettro della Radiazione Elettromagnetica 8 Lunghezza d onda della luce visibile: nm (nanometri) Le Radiazioni radio, TV, Microonde e Infrarossi hanno lunghezze d onda molto più alte (frequenze più basse), ed energie più basse della luce visibile. I raggi Gamma e i raggi X hanno lunghezze d onda più corte (frequenze più elevate), ed energie più elevate della luce visibile. L interazione della radiazione con la materia Energia di Ionizzazione grande numero di stati energetici disponibili, fortemente assorbiti Raggi X raggi X Fotoionizzazione Ultravioletto Visibile Ionizzazione Infrarosso raggi X Cambi di livello elettronico Vibrazioni molecolari Ionizzazione Scattering Compton Raggi X di più lunga Piccolo numero di stati disponibili, quasi trasparenti Microonde Rotazioni e torsioni molecolari

9 Calcolo della Frequenza dalla Lunghezza d Onda 9 Problema: La lunghezza d onda di un tipo di raggi X è m. Quale è la frequenza di questa radiazione? Piano: Usare la relazione tra lunghezza d onda e frequenza per ottenere la risposta. (lunghezza d onda frequenza = velocità della luce!) Soluzione: 1 velocità della luce m s frequenza lunghezza d ' onda m c frequenza ms mc iclo cicli s 17 1 Hz

10 Comportamento Diverso delle Onde e delle Particelle 10 Onda Direzione dell'onda luminosa Particella Traiettoria di un oggetto Aria Acqua A Angolo di rifrazione B Massimi delle onde Fascio di particelle C D

11 Figure di Interferenza (Diffrazione) 11 Causate dalla luce che passa attraverso due fenditure adiacenti e che si sommano o si eliminano in funzione della distanza dalle fenditure e dalla lunghezza d onda. Film (visione laterale) Onde in fase Onde fuori fase Film (visione frontale) Macchia chiara Macchia scura Onde luminose Fronte dell onda Figure di interferenza

12 Esperimenti Chiave sulla Luce 12 Radiazione del corpo nero - Planck Effetto Fotoelettrico - Einstein Spettri a righe degli atomi Bohr (tutti riferiti a transizioni elettroniche) Energia di Ionizzazione Fotoionizzazione Ultravioletto Visibile Cambi di livello elettronico Infrarosso Microonde Vibrazioni molecolari Rotazioni e torsioni molecolari

13 L Effetto Fotoelettrico Metodo Classico Aumentare l energia aumentando l ampiezza elettroni emessi? No No No No 13 Cosa succede se si prova? Variare la lunghezza d onda ad ampiezza fissa elettroni emessi? No Si, con bassa KE Si, con alta KE Nessun elettrone è emesso finché la frequenza della luce supera una frequenza critica, a cui gli elettroni vengono emessi dalla superfice!

14 La Natura di Particella della Luce 14 Un piatto metallico carico negativamente e sensibile alla luce viene esposto alla luce di lunghezza d onda ed intensità variabili. OSSERVAZIONI Sotto l energia di soglia, non succede nulla! Sopra la soglia, l energia cinetica degli elettroni emessi è proporzionale alla frequenza della luce. Inoltre, sopra la soglia, al crescere dell intensità della luce, cresce il numero di elettroni emessi. Tutti i metalli subiscono questo effetto, ma ognuno ha un unica tipica frequenza di soglia. Elettrodo Positivo Batteria Tubo sotto vuoto Piatto metallico sensibile alla luce Amperometro

15 L Effetto Fotoelettrico - I 15 Emissione di Elettroni da un Metallo Solido Irraggiato Si misura l energia cinetica degli elettroni emessi (fotoelettroni) = voltaggio per cui la corrente è zero Batteria Elettrodo metallico illuminato e - Luce incidente e - da sorgente + Elettrodo di raccolta + Generatore + a voltaggio variabile - - Amperometro

16 Relazione Energia/Frequenza dei Fotoni 16 Albert Einstein Teorizzò i fotoni per spiegare l effetto fotoelettrico. Vinse il premio Nobel nel 1921 I fotoni possiedono un energia pari a E = h h = Costante di Planck, pari a: J sec Einstein affermò che l energia cinetica dell elettrone espulso era eguale alla differenza tra l energia del fotone e l energia di legame dell elettrone nel metallo. E E E E totale legame cinetica fotone

17 Energia dei Fotoelettroni Emessi da Alcuni Metalli 17 E cin. kj mol Infrarosso Visibile Ultravioletto o del Cesio Cs K Mg Zn Ni Pt (Hz) pendenza = h (costante di Plank) = J sec E E E h cin. fot. emis. h E h 0 cin. 0

18 Calcoli dell Energia dalla Frequenza 18 Problema: (a) Qual è l energia di un fotone di radiazione elettromagnetica che viene emesso da una stazione radio a 97.3 FM ( Hz)? (b) Qual è l energia dei raggi gamma emessi dal 137 Cs se questi hanno una frequenza di s -1? Piano: Usare la relazione tra energia e frequenza per ottenere l energia della radiazione elettromagnetica, E = h (N.B. Hz = s -1 ) Soluzione: Eradio h Js s J 24 E radio J Eraggi gamma h Js s J 13 E raggi gamma J

19 Calcoli dell Energia dalla Lunghezza d Onda 19 Problema: Qual é l energia dei fotoni usati nei forni a microonde? La lunghezza d onda di queste radiazioni è 122 mm. Piano: Convertire la lunghezza d onda in metri, e usare Soluzione: E 1m 122 mm 1000mm m h hc E J s ms J m

20 Effetto Fotoelettrico - I 20 Problema: L energia minima per rimuovere un elettrone dal potassio metallico è J. Riusciranno dei fotoni di frequenza s -1 (luce rossa) e s -1 (luce blu) ad indurre l effetto fotoelettrico? rosso E h Js s blu J E h Js s J

21 Effetto Fotoelettrico - II 21 Poiché l energia di legame del potassio è = J la luce rossa non possiede abbastanza energia per espellere un elettrone dal potassio, invece la luce blu lo riesce a fare! E E E ' totale Energia di legame Energia cinetica dell ' elettrone E E E Elettrone totale Energia di legame E Elettrone J J J Energia Cinetica dell elettrone emesso

22 La Radiazione del Corpo Nero 22 Superficie non riflettente. Corpo cavo a temperatura T, assimilabile ad un ideale corpo nero. Spettrofotometro, strumento in grado di misurare frequenza e intensità della luce incidente proveniente da un piccolo foro praticato nel corpo cavo.

23 Spettro del Corpo Nero e la Quantizzazione dell Energia 23 I (watt cm -2 ) Equazione basata sul modello ondulatorio classico Equazione di Plank ottenuta per E= n h I 2 kt 2 2 c I c e h h kt T = 1500 K T = 1000 K /c (cm -1 )

24 Luce ed Atomi 24 Energia E = h E = h (a) (b) (c) (d) (a) L atomo è nello stato di energia più basso stato fondamentale. (b) L atomo assorbe energia dal fotone, e passa nello stato eccitato. (c) Questo stato ha un eccesso di energia - L atomo deve perderla e ritornare di nuovo allo stato fondamentale. (d) L atomo emette un fotone, ritornando allo stato iniziale!!

25 Diagramma Energetico Multi-livello 25 Le aggregazioni di particelle pesanti non costituiscono, a parità di numero e tipo, sistemi univoci in quanto sono in grado di assorbire o emettere particolari particelle dotate di massa a riposo nulla (fotoni o quanti di luce). Si modifica così l'energia interna del sistema senza che cambi il numero e il tipo di particelle aggregate. Diventano accessibili stati energetici più elevati (stati eccitati) di quello ad energia minima (stato fondamentale). Energia fotone 2 emesso fotone 1 emesso 2 Stato eccitato Stati elettronici eccitati 1 Stato eccitato fotone 2 assorbito fotone 1 assorbito Stato fondamentale

26 Assorbimento/Emissione di Fotoni 26 (Z, A) Nucleo (Radiazioni (Fotoni)) assorbimento emissione (Z, A)* Nucleo eccitato + _ Atomo + UV (Rad. UV) (Fotoni) assorbimento emissione Atomo eccitato + _ UV (Rad. ultraviolette) + IR (Rad.infrarosse) MO (Rad. microonde) assorbimento emissione Molecole eccitate

27 Spettri a Righe di Alcuni Elementi 27 Tubo a scarica di gas contenente idrogeno A Spettro visibile nm Hg B nm nm nm nm H nm Fenditura Prisma nm nm Sr nm

28 Spettro di Emissione dell Idrogeno 28 Limite Limite Limite Lyman UV Balmer Paschen IR Visibile cm -1 alto voltaggio + -. H idrogeno atomico fenditura prodotto dall arco prisma elettrico sull idrogeno gas monocromatore lastra fotografica

29 Spettro di Assorbimento dell Idrogeno nella Regione dell Ultravioletto (in Numeri d'onda (cm -1 )) 29 Regione ricca di righe molto ravvicinate (non indicate) Limite cm -1 Radiazione ultravioletta assorbita da atomi di idrogeno per il passaggio di un fascio di radiazioni (miscela di tutte le lunghezze d'onda nell ultravioletto, nel visibile e nell infrarosso) in un gas costituito da atomi di idrogeno.

30 Relazione di Rydberg R H n n n 2 > n 1 (numeri interi) R H = cm -1 (Costante di Rydberg) n 1 = 1 n 2 = 2 = 82259; n 1 = 1 n 2 = 3 = 98492; n 1 = 1 n 2 = 4 = ; n 1 = 1 n 2 = = ; n 1 = 2 n 2 = 3 = n 1 = 2 n 2 = 4 = n 1 = 2 n 2 = 5 = n 1 = 2 n 2 = = Serie Lyman Serie Balmer

31 Eccitazione e Ionizzazione 31 Fotone (h) + - eccitazione + - eccitazione + - H H* H** ionizzazione ionizzazione (p) (e) H + + e-

32 Diagramma dei Livelli Energetici per l Atomo H E Lyman Balmer E E E Paschen E E n = n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 32 k Energia n (cm -1 ) E E E 2 1 n = 1 1 E hc h k = ev atomo -1 = 1312 kj mol -1 h = J sec