CHIMICA E SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI ELETTRICI
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- Isidoro Manzi
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1 CHIMICA E SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI ELETTRICI Elettrici I anno - III Quadr. a.acc. 2006/07 Laboratorio: Laboratorio Materiali piano S-1 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 1
2 DOCENTE DEL CORSO Prof. Gianfranco Dell Agli Ufficio (Piano 1) / Laboratorio Materiali Tel ; Fax [email protected] Ricevimento: Mercoledì 15:00 17:00; Venerdì 15:00 17:00 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 2
3 ORGANIZZAZIONE DEL CORSO Lezioni in classe. Esercitazioni numeriche in classe. Esercitazioni pratiche in laboratorio. Prova scritta Esame orale 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 3
4 ORGANIZZAZIONE DEL CORSO Attenzione: NON sottovalutare l importanza delle esercitazioni numeriche e di laboratorio. Esercitazioni numeriche in aula: Calcolatrice, tavola periodica, libro di testo Esercitazioni pratiche in laboratorio: Calcolatrice, tavola periodica 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 4
5 MATERIALE DIDATTICO Libri di testo: J.N. Spencer, G.M. Bodner, L.H. Rickard Chimica Zanichelli W.F. Smith Scienza e tecnologia dei materiali McGrawHill Dispense su vari argomenti Materiale di esercitazioni, esami scritti con soluzioni ed altro al sito web del corso: Testi di approfondimento: P.W. Atkins Chimica generale B.H. Mahan Chimica generale e inorganica Anderson, Leaver Materials Science Zanichelli Ambrosiana Chapman & Hall 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 5
6 MATERIALE DIDATTICO Sul sito web del corso ( saranno resi disponibili i lucidi in formato pdf 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 6
7 ARGOMENTI DEL CORSO Struttura atomica e tavola periodica degli elementi Legami chimici: molecole e ioni Stati di aggregazione della materia: solido, liquido e gassoso Trasformazioni chimiche ed elettrochimiche Stato solido e geometria cristallina Imperfezioni strutturali e mobilità degli atomi nei solidi cristallini 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 7
8 ARGOMENTI DEL CORSO Comportamento elettrico dei materiali Conduttori elettrici: proprietà e tecnologia di fabbricazione Semiconduttori: proprietà e tecnologia di fabbricazione Cenni ai materiali dielettrici e ai materiali superconduttori Materiali magnetici: proprietà e tecnologia di fabbricazione 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 8
9 TEORIA ATOMICA EVOLUZIONE STORICA DELLA TEORIA ATOMICA: IV secolo A.C.: Democrito di Abdera; 1805: Ipotesi di J. Dalton sugli atomi; 1897: Esperienza di J.J. Thomson; 1911: Modello di E. Rutherford; 1913: Modello di N. Bohr; 1927: Meccanica Quantistica (E. Schrödinger) Atomi osservati al microscopio elettronico 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 9
10 ESPERIENZA DI THOMSON (1897) Raggi catodici (fasci di e ) e/m = 1.76x10 8 C/g Risultato identico a prescindere dal gas! Modello di Thomson 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 10
11 ESPERIENZA DI MILLIKAN (1909) m = massa elettrone = 1.602x10 19 /1.76x10 8 = 9.10x10 28 g e = carica elettrone = 1.602x10 19 C 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 11
12 ESPERIENZA DI RUTHERFORD Raggi deviati con grande angolo (pochissimi) Modello di Rutherford L atomo è per lo più vuoto; la parte carica (+) è localizzata in un nucleo molto piccolo 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 12
13 PROBLEMI IRRISOLTI DAL MODELLO DI RUTHERFORD Come erano distribuiti gli atomi intorno al nucleo? Perché essi non cadevano sul nucleo seguendo traiettorie a spirale ed emettendo continuamente radiazione? Rutherford non riuscì a rispondere a questi interrogativi. 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 13
14 MODELLO DI BOHR PER L ATOMO DI IDROGENO Nucleo carico + e elettroni orbitanti carichi Stabilità assicurata dall attrazione tra cariche opposte Postulati di Bohr: E elettrone dipende dalla distanza dal nucleo; Numero limitato di regioni spaziali disponibili per l elettrone (gusci o livelli) a diversa energia (quantizzata, concetto introdotto da Planck e Einstein); L elettrone emette o assorbe radiazione solo quando cambia livello : l energia della radiazione è uguale alla differenza di energia tra i livelli. 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 14
15 TRANSIZIONI TIPICHE IN H Costante di Planck = 6.626x10-34 Js ν = E/h e λ = c/ν. Velocità della luce = 3x10 8 m/s 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 15
16 SPETTRO ATOMICO Spettroscopio: strumento per mettere in evidenza lo spettro di emissione (1860 circa). Risultato fondamentale di J.J. Balmer nel 1885 sullo spettro dell idrogeno: scarica a bassa pressione produce lo spettro con 4 righe; Verifica della teoria di Bohr Non erano verificate dalla teoria di Bohr 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 16
17 PROBLEMI DEL MODELLO DI BOHR Per gli atomi plurielettronici i risultati erano in disaccordo con le righe spettrali osservate sperimentalmente. La teoria di Bohr era una tappa, fondamentale ma non l ultima, che avrebbe portato alla comprensione della struttura atomica. 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 17
18 EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER Ψ V E h h 8π 2 2 m d 2 dx Ψ 2 + ( E V ) Ψ = 0 funzione d onda; Ψ 2 (x,y,z)dv è la probabilità che l elettrone sia intorno al punto (x,y,z) energia potenziale energie permesse all elettrone (quantizzate) costante di Planck = 6.626x10 34 Js m massa dell elettrone = 9.11x10 31 kg 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 18
19 RISOLUZIONE DELLA EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER Esula dai compiti del corso (Mahan pag trattazione comprensibile e abbastanza completa) Introduce 3 numeri interi n, l, m l (numeri quantici): n (> 0) numero quantico principale (energia) l (0 n 1) numero quantico angolare m l ( l +l) numero quantico magnetico Orbitale atomico: regione dello spazio dove è probabile trovare l elettrone (sostituisce la posizione) 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 19
20 NUMERI QUANTICI I vari numeri quantici individuano gli orbitali secondo lo schema: A che distanza è dal nucleo? Che forma geometrica ha? (n) (l) Quanti ce ne sono? (m l ) 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 20
21 NUMERI QUANTICI Forme geometriche individuate dal numero quantico l : l = 0 orbitale s l = 1 orbitale p l = 2 orbitale d l = 3 orbitale f sfera a due lobi quadrifoglio forma complessa 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 21
22 ORBITALI ATOMICI 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 22
23 NUMERI QUANTICI m l dà il numero di orbitali (orientazioni possibili) di ogni tipologia: l = 0 (tipo s) m l = 0 (un solo orbitale s) l = 1 (tipo p) m l = +1, 0, 1 (3 orbitali tipo p) l = 2 (tipo d) m l = +2, +1, 0, 1, 2 (5 orbitali tipo d) l = 3 (tipo f) m l = +3, +2, +1, 0, 1, 2, 3, (7 orbitali tipo f) 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 23
24 ORBITALI ATOMICI Come vengono occupati gli orbitali dagli elettroni negli atomi a più elettroni? Principio di esclusione di Pauli. Ai 3 numeri quantici precedenti si aggiunge un 4 : m s momento magnetico di spin = + ½ e ½ 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 24
25 ORBITALI ATOMICI Principio di Pauli: ogni elettrone ha un insieme diverso dei quattro numeri quantici in un orbitale possono trovare posto al massimo 2 elettroni a spin opposto. Regola di Hund: gli elettroni occupano prima ogni orbitale di un sottolivello con elettroni a spin parallelo e dopo completano gli orbitali. 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 25
26 CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Distribuzione degli elettroni in un atomo 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 26
27 CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Come ricordare le configurazioni elettroniche. Riempimento degli orbitali d e f. 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 27
28 TAVOLA PERIODICA Organizzazione di Mendeleyev degli atomi (1865 circa) 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 28
29 CARATTERISTICHE DI UN ATOMO Elettroni e nucleo: protoni (particelle elementari con carica +) e neutroni (particelle neutre); Z = numero atomico = # protoni Numero di massa (A) = # protoni + # neutroni Massa (peso) atomica protone nucleo neutrone 26/04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 29
30 CARATTERISTICHE DI UN ATOMO Masse delle particelle subatomiche piccolissime utile unità di misura diversa da g o kg: u.m.a. = x10 24 g (1/12 massa 12 C) N A = numero di Avogadro = 1/uma(g) = 6.022x10 23 Mole = un numero di Avogadro di atomi (o molecole) Particella massa (g) massa (uma) Carica rel. Elettrone 9.109x Protone 1.673x Neutrone 1.675x /04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 30
31 CARATTERISTICHE DEGLI ATOMI Isotopi: Z è lo stesso, A è diverso Isotopi dell O e loro abbondanza naturale 16 O = % ( ) 17 O = 0.04 % ( ) 18 O = 0.20 % ( ) O = /04/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L1 31
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