Le Caratteristiche della Luce

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1 7. L Atomo Le Caratteristiche della Luce Quanti e Fotoni Spettri Atomici e Livelli Energetici L Atomo di Bohr I Modelli dell Atomo - Orbitali atomici - I numeri quantici e gli orbitali atomici - Lo spin elettronico Atomi Multielettronici - L energia degli orbitali - La costruzione a strati e la configurazione elettronica Il Carattere Periodico delle Proprietà Atomiche - Raggio atomico, energia di ionizzazione, affinità elettronica

2 Le Caratteristiche della Luce Li Na K Ca Sr Ba Cu righe spettrali La LUCE è una RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA c = 3.00x10 8 m s -1

3 Le Caratteristiche della Luce La LUCE è una RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA c = 3.00x10 8 m s -1 campo elettrico Lunghezza d onda λ Def. La FREQUENZA, ν, è il numero di cicli, ovvero di inversioni complete al secondo [1 Hz = 1 s -1 ] Def. La LUNGHEZZA D ONDA, λ, è la distanza tra un massimo/minimo e quello successivo λ x ν = c

4 Quanti e Fotoni FOTONE ELETTRONE Max Planck Numero elettroni Intensità METALLO raggio incidente En. cinetica elettroni NON dipende da Intensità L ENERGIA non è solo un onda che si propaga in modo continuo e in tutte le direzione, ma è emanata a proiettili, ovvero QUANTI predefiniti dello stesso valore. La LUCE si comporta sia come ONDA, quindi soggetta a fenomeni di rifrazione, che come PARTICELLA. La particella di luce è chiamata FOTONE. E = h ν h = costante di Planck Ultravioletto Infrarosso Frequenza/10 14 Hz Energia a fotone/10-19 J 5.7.0

5 Spettri Atomici e Livelli Energetici Atomo di H L ATOMO DI H, ESISTE IN UNA SERIE DISCONTINUA DI STATI, DETTI LIVELLI ENERGETICI E

6 L Atomo di Bohr Rutherford 1908: nucleo massivo con cariche positive. Bohr 1913: l elettrone dell atomo di H ruota intorno al nucleo, descrivendo un orbita circolare. r Forza Coulombiana e r F = ma = Accelerazione Centripeta v m r Energia Totale = Energia Cinetica + Energia Potenziale 1 e 1 e e 1 e E = mv = = r r r r r = v = e mv POSTULATO DELLA QUANTIZZAZIONE DELLA QUANTITÀ DI MOTO h h mv r = n n = 1,,3,..., r = π e h 1 h 1 e = n 4π me v = n v = mr π mr π mr mr 1 e 1 π me E = = r n h e mr 4

7 r h 4π me = E = = L Atomo di Bohr 1 e r 1 n π me h 4 n = numero quantico STATO QUANTICO ^ POSTULATO L ATOMO EMETTE O ASSORBE ENERGIA SOTO FORMA DI RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE SOLO QUANDO SI VERIFICANO DELLE TRANSIZIONI, CIOÈ PASSAGGI TRA STATI QUANTICI DIVERSI, E L ENERGIA CORRISPONDENTE ALLA DIFFERENZA TRA I LIVELLI ENERGETICI PROPRI DEGLI STATI QUANTICI TRA I QUALI AVVIENE LA TRANSIZIONE CONSIDERATA È EMESSA O ASSORBITA SOTTO FORMA DI UN UNICO FOTONE. E = ν = E E n n E E h n' n' = hν LEGGE DI BOHR

8 I Modelli dell Atomo Bohr 1913: l elettrone dell atomo di H ruota intorno al nucleo, descrivendo un orbita circolare. Heisenberg 197: principio di indeterminazione. The more precisely the position is determined, the less precisely the momentum is known in this instant, and vice versa. Heisenberg, uncertainty paper, 197 r PROBABILITÀ de Broglie 194: anche gli elettroni sono caratterizzati da dualismo onda-particella. MECCANICA CLASSICA MECCANICA ONDULATORIA

9 Edwin Schrödinger 196 LIVELLO ENERGETICO Gli Orbitali Atomici EQUAZIONE di SCHRÖDINGER NUMERI QUANTICI n, l, m l FUNZIONE D ONDA = ORBITALE L orbitale atomico è associato alla regione di spazio nella quale è più probabile rinvenire l elettrone. SUPERFICIE DEI CONTORNI MECCANICA CLASSICA MECCANICA ONDULATORIA EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER ORBITALE traiettoria probabilità numeri quantici

10 Gli Orbitali Atomici Numero quantico principale n = 1,, 3,, Numero quantico azimutale l = 0, 1,,, n-1 Numero quantico magnetico m l = -l, -l+1,, 0,, l-1, +l n l m l n = 1 l = 0 s 0 1s s n = l = 0 s 0 s l = 1 p p l = 0 s 0 3s n = 3 l = 1 p p l = d d strato sottostrato orbitale

11 Samuel Goudsmit George Uhlenbeck Lo Spin Elettronico Numero quantico di spin m s 1 + 1

12 Gli Atomi Multielettronici ATTRAZIONE NUCLEO - ELETTRONE REPULSIONE ELETTRONE - ELETTRONE STRUTTURA ELETTRONICA carica carica ENERGIA POTENZIALE ENERGIA CINETICA = r E TOT = ENERGIA POTENZIALE + ENERGIA CINETICA 1 mv E 4s 3s 3p 3d - s p + 1s Li: 3e -

13 Il Principio della Costruzione a Strati n, l, m l, m s STATO FONDAMENTALE configurazione corrispondente alla minima energia possibile. STATI ECCITATI configurazione corrispondente ad energia più elevata. PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI: IN UN ATOMO NON PUÒ ESISTERE PIÙ DI UN ELETTRONE IN UNO STATO DEFINITO DA UNA DATA QUATERNA DI NUMERI QUANTICI. e - n, l, m l, m s 1. SE DUE ELETTRONI OCCUPANO UNO STESSO ORBITALE (n, l, m l sono uguali) I LORO SPIN DEVONO APPAIARSI.. NON CI POSSONO ESSERE PIÙ DI DUE ELETTRONI PER ORBITALE. 1s s p 3s 3p 3d CONFIGURAZIONE ELETTRONICA 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p

14 Il Principio della Costruzione a Strati REGOLA DI HUND: ENTRO UN GRUPPO DI ORBITALI CON GLI STESSI VALORI DI n ED l, GLI ELETTRONI TENDONO A DISTRIBUIRSI IN ORBITALI DIVERSI CON SPIN PARALLELO.

15 La Configurazione Elettronica degli Atomi

16 La Configurazione Elettronica degli Ioni 3p 3p 3s 3s [Ne] Na [Ne]3s 1 4p 4s 3d [Ar] Fe [Ar]3d 6 4s p s [He] O [He]s p 4 4p 4s 3d [Ar] Fe + [Ar]3d 6 [Ne] Na + [Ne] 4p 4s 3d [Ar] Fe 3+ [Ar]3d 5 p s [He] O - [He]s p 6

17 Struttura Elettronica e Tavola Periodica elettroni 8 elettroni 8 elettroni 18 elettroni 18 elettroni 3 elettroni

18 Raggio Atomico e Raggio Ionico Def. Il RAGGIO ATOMICO di un elemento è la metà della distanza che separa i centri di due atomi contigui. r Def. Il RAGGIO IONICO di un elemento è l aliquota che gli spetta della distanza tra due ioni contigui in un solido ionico. r an + r cat crescente Na Na + Be Be pm decrescente O O - F F -

19 Energia di Ionizzazione Def. L ENERGIA di IONIZZAZIONE è l energia necessaria ad allontanare un elettrone da un atomo in fase gas. Primaria, I 1 : si parte dall atomo neutro. Secondaria, I : si parte dal catione a carica unitaria. Cu(g) Cu + (g) + e (g) Cu + (g) Cu (g) + e + (g) crescente decrescente

20 Affinità Elettronica Def. L AFFINITÀ ELETTRONICA, E ae, è l energia che si libera quando l atomo in fase gas cattura un elettrone. Affinità Elettronica (kj mol -1 )