Fisica Applicata 9CFU Facoltà di Ingegneria, Architettura e delle Scienze Motorie Lezione 06-07 Maggio 2013 Architettura (corso magistrale a ciclo unico quinquennale) Prof. Lanzalone Gaetano
Elettrostatica Elettricità Magnetismo Ottica Geometrica Ottica Fisica Suono Applicazioni
Elettrostatica
Carica Elettrica La Carica Elettrica è una caratteristica intrinseca delle particelle elementari che costituiscono la materia. Due tipi di carica elettrica: POSITIVA e NEGATIVA
Corpo Neutro : se possiede ugual numero di cariche elettriche Negative e Positive Corpo Carico: se il numero di un tipo di cariche elettriche è maggiore dell altro. In questo caso diremo che il corpo è caricato : Positivamente (eccesso di carche +) Negativamente (eccesso di carche -)
Unità di misura della carica elettrica nel SI: Coulomb Simbolo = C Carica elettrica elementare: carica dell elettrone Simbolo = e 1e = 1.6 10-19 C (la carica elettrica è quantizzata à Q=ne)
Forze tra corpi carichi Repulsione Cariche elettriche dello stesso segno si respingono Attrazione Cariche elettriche di segno opposto si attraggono
Carica indotta
Carica per Contatto
Ricapitolando si hanno 3 modi per caricare un corpo (elettrizzarlo): 1) Strofinio 2) Induzione 3) Contatto
Conduttori e Isolanti Conduttori (cariche libere- Metalli) Isolanti (poche o nessuna carica libera es. Plastica) Semiconduttori (sotto determinate condizioni possono diventare conduttori ) Superconduttori (cariche libere senza alcun impedimento)
Di cosa siamo fatti Gli oggetti che ci circondano si presentano come se fossero costituiti da mattoni elementari (atomi o molecole)
La struttura dell atomo" Modello di Thomson: gli atomi sono sfere permeabili complessivamente neutre, in cui le particelle di carica negativa (elettroni) erano immerse in una massa gelatinosa di carica positiva (modello dell uva passa nel panettone). Esperimento di Rutherford:
I risultati dell esperimento di Rutherford Conseguenze dell esperimento di Rutherford
Evoluzione del Modello Atomico Thomson ATOMO Z elettroni con carica Ze m Nucleo /m Ze 4000 Nucleo con carica +Ze r Nucleo /r e 10-4
Evoluzione del modello atomico
Considerazioni sulla struttura atomica L atomo è essenzialmente vuoto. Ci sono 4-5 ordini di grandezza tra le dimensioni dell atomo (il raggio del volume occupato dagli elettroni) e le dimensioni del nucleo atomico. L elettrone è estremamente piccolo (forse elementare) La massa dell atomo è concentrata nel nucleo Gli elettroni hanno una massa circa 2000 volte più piccola di quella dei protoni ( o dei neutroni) Il nucleo atomico è costituito da protoni (carichi positivamente) e da neutroni (particelle neutre). In ogni atomo ci sono tanti elettroni quanti protoni in maniera tale che l atomo sia complessivamente neutro.
Alcune definizioni 92 diverse specie di atomi (altri sono stati costruiti artificialmente) Sostanza elementare è costituita di unità elementari formate solo da atomi della stessa specie (Fe, H 2 ) Composto se le unità elementari sono formate da atomi di due o più specie diverse (H 2 O) Cosa distingue i vari atomi? NUMERO ATOMICO Z: il numero di protoni presenti nel nucelo(o di elettroni presenti nell atomo neutro) NUMERO DI MASSA A: è dato dalla somma del numero di protoni Z e del numero di neutroni N del nucleo. ISOTOPI: atomi chimicamente identici (stesso Z) ma con diverso numero N di neutroni (A diverso). (p.e. gli isotopi del 12 C : 14 C 13 C ) MASSA ATOMICA: è la massa atomica assoluta in unità di massa atomica u.m.a. (per convenzione, 1 u.m.a.= 1/12 della massa atomica di 12 C cioè del carbonio con A=12).
Alcune proprietà degli atomi Carica dell elettrone (o del protone):1,6 x 10-19 C (Coulomb). Quantizzata. Ione: si possono strappare cariche elettriche negative (elettroni) agli atomi; ciò comporta una notevole spesa di energia E. Energia di prima ionizzazione: l energia occorrente per strappare il primo elettrone all atomo. Energia di seconda ionizzazione: l energia occorrente per strappare il secondo elettrone all atomo.
I numeri quantici Il numero quantico principale n (enne) riguarda la quantizzazione della energia totale E tot. n=1,2, Il numero quantico secondario o azimutale (elle) è relativo al momento angolare (grandezza vettoriale). =0,1,2,...,(n-1) Il numero quantico magnetico m (emme) è relativo alla quantizzazione "spaziale" del momento angolare m= -, - +1,...-1, 0, 1,... -1, " Il numero quantico di spin m s. m s = ± 1/2 Un orbitale è quindi identificato dalla terna n,l,m
Orbitali tipo s 1s Più è grande l energia maggiore è la distanza dell elettrone dal nucleo 4s
Orbitali tipo p e d 2p x 3p x
Costruzione della configurazione elettronica degli atomi. il Principio di minima energia: ogni elettrone occupa l'orbitale disponibile a energia più bassa; il Principio di Pauli: in un atomo non possono esistere 2 elettroni con i 4 numeri quantici eguali; perciò, nello stesso orbitale, possono esserci 2 soli elettroni purché con m s, momento di spin, diverso; Regola di Hund o della massima molteplicità: se due o più elettroni occupano orbitali degeneri (cioè a eguale energia), gli elettroni occupano il maggior numero possibile di questi orbitali, e a spin paralleli.
Energia
Gruppi di atomi Gas nobili Hanno l ottetto completo, non si combinano con altri atomi Metalli alcalini Un solo elettrone nel guscio più esterno, facilmente ionizzabili Metalli alcalino terrosi Due elettroni nel guscio più esterno Gli alogeni Hanno bisogno di un elettrone per portarsi nella configurazione del gas nobile che li segue, e quindi tendono a completare il loro ottetto.
Gli atomi emettono luce Una volta assegnati gli elettroni agli orbitali della configurazione di minima energia è possibile Eccitare l atomo Spostare un elettrone da un livello ad un altro di maggiore energia Ionizzare l atomo Liberare l elettrone e creare quindi uno ione. Come si realizzano questi processi? Attraverso l assorbimento di quanti di luce Mediante urti con altri atomi o con elettroni liberi (lampade fluorescenti) Cosa succede ad un atomo eccitato? Dopo un po di tempo il livello lasciato libero dall elettrone scalzato (di bassa energia) viene rioccupato dallo stesso o da altri elettroni (passaggio da stati ad energia più alta a stati di energia più bassa. L energia in eccesso viene ceduta sotto forma di luce fotoni.
Lampi azzurri sprigionati da caramelle alla menta UV Luce blu
Quantizzazione della carica elettrica.
Proprietà dei metalli Elettroni di conduzione
Polarizzazione In un isolante gli elettroni sono legati da forze intense ai rispettivi atomi. Possono avvenire solo modificazioni nella distribuzione di carica dell atomo. Tale fenomeno è comunemente indicato col nome di Polarizzazione.
Contaminazione batterica in sala operatoria
Forza di Coulomb qq F = k 0 R 2 rˆ R Direzione congiungente le due cariche elettriche. 1 k0 10 Nm 2 2 9 12 = = 9 ε 2 0 = 8.85 10 2 4 πε 0 C Nm Vale il principio di sovrapposizione C
La figura mostra due particelle fisse cariche positivamente cololocate sull asse delle X. Le cariche sono q 1 =1,60 10-19 C e q 2 =3,20 10-19 C. La distanza tra le cariche è R=20mm. Calcolare l intensità e la direzione della forza elettrostatica F 12 esercitata sulla carica 1 dalla carica 2. Nel caso in cui sia aggiunta al piano la carica negativa q 1 =-9,60 10-19 C, determinare la nuova forza (in forma vettoriale) elettrostatica che agisce sulla carica q 1.
Si supponga che successivamente sia messa a terra.
La carica si conserva Anche in processi limite: Decadimento radioattivo Annichilazione Creazione di coppie
Problema. La figura mostra quattro casi di cariche puntiformi disposte lungo un asse a distanze uniformi. Nel disegno sono indicati i valori delle cariche, salvo che per le particelle centrali, che hanno ugual carica Q in tutti i casi. Mettete i quattro casi in ordine decrescente d intensità della forza elettrostatica esercitata sulla particella centrale. Q Q Q Q
Qual è la forza agente sulla carica centrale?
Esercizi 1) Trovare la quantità di carica positiva contenuta in una mole di atomi di He. (N a =6.02 10 +23 ) 2) Determinare il rapporto tra la forza elettrostatica e gravitazionale che agiscono tra un protone ed un elettrone. (G=9.11 10-31 ) 3) Determinare la forza elettrostatica che agisce su Q 3. (fig. sottostante) Dove deve essere posizionata una carica Q 4 =-50µC, affinché la forza su Q 3 sia nulla?