Lezione 7. Cenni di struttura della materia.

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1 Lezione 7 Cenni di struttura della materia.

2 Particelle La materia è costituita da particelle (atomi e molecole), legate da forze di natura elettromagnetica per formare i corpi materiali. I corpi materiali, a loro volta, si differenziano poi a seconda dell entità di tali forze.

3 I mattoni della materia: p,n,e Protoni (p), neutroni (n) ed elettroni (e) sono i mattoni più grossolani di cui è fatta la materia. Essi si aggregano formando atomi, ovvero strutture più o meno stabili presenti nel nostro universo. In realtà oggi sappiamo che n,p non sono costituenti elementari ma sono composti di quark (3 quark per ciascuno), i veri mattoni elementari di cui è costituita la materia.

4 Composizione a quark p = u u d n = u d d

5 Proprietà dei quark

6 Carica elettrica p ed e sono elettricamente carichi e possono quindi interagire elettricamente. n sono neutri e la loro presenza nell atomo è necessaria per assicurarne la stabilità. Gli atomi sono elettricamente neutri (non privi di cariche ma con cariche positive e negative presenti in ugual numero).

7 Elementi naturali Attualmente gli elementi naturali (cioè presenti in natura) sono 92. Ad essi, fino ad oggi, bisogna aggiungere altri 15 elementi (transuranici) creati dall uomo, l ultimo dei quali, l elemento 107, è stato sintetizzato solo nel 1977 (Flerov, Dubna, Russia). Poiché gli elementi sono circa 100 anche le specie atomiche sono circa 100. Esempio: potete pensare alle specie atomiche come alle lettere dell alfabeto: le prime si compongono a formare ogni varietà di materia; con le ultime possiamo formare ogni parola.

8 Struttura atomica degli elementi In natura esistono elementi (es. i gas nobili) il cui macroelemento chimico è formato da un solo atomo ed altri (es. zolfo, fosforo, etc.) per cui è formato da due o più atomi della stessa specie; altri ancora (es. sostanze organiche) il cui macroelemento chimico è formato da migliaia o milioni di atomi, anche di specie diversa. L unione di due o più atomi della stessa specie o di specie diverse si chiama molecola.

9 Molecole A seconda della propria struttura (disposizione elettronica) gli atomi possono legarsi (legame chimico) tra loro a formare le molecole. In generale, una molecola si può ancora considerare una parte elementare del corpo che risulta pertanto formato da un grandissimo numero di molecole identiche.

10 Interazione molecolare In generale, le molecole si attraggono o respingono reciprocamente con forze che dipendono dalla distanza, per effetto delle forze elettriche agenti a livello atomico.

11 Modello di interazione molecolare: particelle immobili Tra due molecole che interagiscono esiste una distanza di equilibrio d 0 che rappresenta la condizione in cui forze attrattive e repulsive si equivalgono. Il tentativo di avvicinarle fa nascere forze repulsive subito molto intense; quello di allontanarle fa nascere forze attrattive, di intensità però decrescente all aumentare della distanza.

12 Solidi I solidi sono quei corpi in cui le molecole sono effettivamente in tale condizione: le forze tra le varie molecole mantengono le molecole mediamente alla stessa distanza. Pertanto il corpo conserva forma e volume. Inoltre, se soggetto ad una sollecitazione esterna il corpo subisce una deformazione elastica, ovvero terminata l azione esterna il corpo tende a riportarsi nella configurazione iniziale.

13 Agitazione termica Il modello esposto rappresenta una schematizzazione drastica della situazione. A livello microscopico infatti tutte le particelle costituenti il corpo sono animate da un moto disordinato detto di agitazione termica. N.B. A causa dell agitazione termica non possiamo osservare direttamente le singole molecole.

14 Temperatura Dal punto di vista macroscopico l agitazione termica è misurabile mediante la temperatura. Maggiore agitazione termica Maggiore energia cinetica delle molecole Maggiore temperatura.

15 Critica al modello delle particelle immobili Il modello delle particelle immobili è praticamente irrealizzabile. La distanza di equilibrio deve essere considerata una distanza media attorno alla quale le molecole realizzano il loro moto di agitazione termica. Se aumenta l agitazione termica, aumenta pure il valore della distanza media di equilibrio: le molecole possono avvicinarsi tra loro però con maggiore difficoltà di quanto è invece consentito per allontanarsi. Segue un aumento delle dimensioni del corpo che è noto come dilatazione termica.

16 Stati di aggregazione della materia L aumentare (con l agitazione termica) della distanza media tra le particelle porta alla situazione in cui le forze di richiamo (attrattive) perdono di intensità e le particelle stesse possono considerarsi autonome cioè poco o addirittura non interagenti. Il corpo perde così le caratteristiche del solido e può passare agli stati di liquido prima e di aeriforme o gas poi. Dunque: la materia si presenta in tre stati: solido, liquido e aeriforme a seconda della diversa intensità delle forze che si esercitano tra le molecole che costituiscono il corpo.

17 Stato solido:i Rappresentazione schematica di aggregazione molecolare allo stato solido.

18 Stato solido:ii I solidi hanno forma e volume proprio. Nei solidi il moto molecolare si riduce ad una serie di rapide oscillazioni attorno ad alcuni particolari centri di equilibrio (punti nodali).

19 Stato liquido: I Rappresentazione schematica di aggregazione molecolare allo stato liquido.

20 Stato liquido: II I liquidi hanno volume proprio e forma dipendente dal sistema che li contiene. Nei liquidi le molecole, mantenendo praticamente invariate le distanze mutue, possono scorrere a gruppi, mescolandosi continuamente e riuscendo talvolta anche a sfuggire dal recipiente che li contiene (evaporazione).

21 Stato gassoso: I Rappresentazione schematica di aggregazione molecolare allo stato gassoso.

22 Stato gassoso: II I gas hanno forma e volume dipendenti dal sistema che li contiene. Nei gas le molecole sono molto distanziate tra loro e sono in moto rapidissimo e disordinato (agitazione termica).

23 Plasma In realtà, oltre alle 3 fasi (S,L,G) esiste un quarto stato di aggregazione detto plasma, corrispondente alla situazione per cui a causa di elevetissime temperature gli atomi si scindono nei loro costituendi, nuclei, protoni, elettroni. Il plasma è dunque un insieme di particelle con carica totale nulla che è molto difficile da mantenere in laboratorio ma che costituisce lo stato più diffuso di materia stellare.

24 Fluidi = liquidi e gas Liquidi e gas si dicono genericamente fluidi. La differenza fondamentale tra solidi e fluidi è che nel primo caso le molecole hanno una disposizione definita (reticolo) mentre nel secondo caso no. Mentre per descrivere il moto di un solido si puo pensare di adattare la descrizione vista per un punto materiale (tutti i punti materiali costituenti sono rigidamente collegati) per descrivere il moto di un fluido occorre pensare a modalità diverse di azione di forze (esempio non applicate ad un singolo punto ma applicate a tutta una superficie o un volume).