1 3 STRUTTURA ATOMICA
COME SI SPIEGA LA STRUTTURA DELL ATOMO? Secondo il modello atomico di Rutherford e sulla base della fisica classica, gli elettroni dovrebbero collassare sul nucleo per effetto delle forze attrattive elettrostatiche. Perché invece la materia è stabile?!?! fino al 1900, secondo la MECCANICA CLASSICA esisteva un diverso comportamento fra materia e luce: separazione fra materia e luce: formata da particelle radiazione formata da onde Rifrazione Un onda che si propaga dall aria all acqua varia la sua direzione di propagazione: rifrange. Diffrazione Un onda piana che passa in una fenditura dà origine a un onda circolare: diffrange.
Per comprendere come sono disposti gli elettroni intorno al nucleo, occorre studiare gli spettri atomici. La SPETTROSCOPIA studia la luce emessa da atomi eccitati con calore o con una scarica elettrica. OSSERVAZIONE SPERIMENTALE: un elemento sottoposto a una scarica elettrica genera una radiazione luminosa formata da un numero discreto e non continuo di lunghezze d onda (spettro atomico). 6
LO SPETTRO COMPLETO DI H E FORMATO DA TRE SERIE DI RIGHE: serie di Lyman (ultravioletto 11,10, 97 nm); serie di Balmer (visibile 656, 486, 434, 410 nm); serie di Paschen (infrarosso). H + energia = H * = H. H. - energia = H energia = corrente elettrica 10 l (nm) 434,05 410,10 486,13 656,8
Dall osservazione sperimentale dello spettro di H si deduce che l atomo di idrogeno può assorbire e quindi riemettere solo certe energie. 11 Per lo spettro di H, Rydberg trova un equazione che prevede la lunghezza d onda di ogni riga in una data serie: 1/l = R (1/n a - 1/n b ) R = 3,9 10 15 Hz costante empirica di Rydberg n a = 1,, 3.. n b = n a +1, n a +,.. ATOMO DI IDROGENO - serie di Lyman n a = 1 n b =,3,4,.. - serie di Balmer n a = n b = 3,4,5,.. - serie di Paschen n a = 3 n b = 4,5,6,..
Atomo di Bohr 1 Bohr propone tre postulati per spiegare l atomo di H: 1) L elettrone descrive delle orbite circolari intorno al nucleo. ) Sono permesse solo quelle orbite per le quali il momento angolare dell elettrone mvr è un multiplo intero di h/ 3) L elettrone non irraggia energia mentre si trova in una orbita permessa (stato stazionario). L emissione di radiazione avviene soltanto se l elettrone passa da un orbita più esterna ad una più interna permessa: DE = E E 1 = hn r n E n n 0n h me me 4 1 8 0 h n 1,,3,... Bohr quantizza raggio ed energia dell orbita ed introduce un numero quantico n. Limiti dell atomo di Bohr: - è un modello monoelettronico; - considera l elettrone come una particella e gli associa un orbita circolare ben precisa
Spiegazione di Bohr delle tre serie di righe spettrali 13
GERMER DAVISSON (195) L elettrone presenta i fenomeni della diffrazione e della rifrazione come le onde. 15 DE BROGLIE (195) Per l elettrone l = h/mv l = h/mv = 6,66 10-34 J s 9,1 10-31 kg 6 10 6 ms -1 = 1,.10-10 m m = massa dell elettrone v = velocità elettroni liberi = 6 10 6 m/s PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG (197) Dx mdv h/4 mdv = incertezza nella quantità di moto Dx = incertezza nella posizione L elettrone si comporta come una particella che si muove di moto ondulatorio
ELETTRONE = onda di materia L elettrone viene associato ad un onda stazionaria circolare localizzata attorno al nucleo dell atomo. 17 MECCANICA ONDULATORIA DEFINIZIONE DI ONDA STAZIONARIA La sua lunghezza d onda è contenuta un numero intero di volte fra due estremi (nl=l). Il valore dell ampiezza dipende dalla posizione e non dal tempo. Le onde stazionarie sono esempi di quantizzazione: solo certe lunghezze d onda sono permesse. Per un onda stazionaria circolare, la lunghezza d onda è un multiplo della circonferenza: nl= r).
ATOMO DI SCHROEDINGER Il moto dell elettrone è descritto dall Equazione di Schrodinger: 18 d d d 8 m ( E V ) ( x, y, z) funzione d onda dx dy dz h Ogni soluzione di tale equazione (ogni stato energetico dell atomo) è associata a una funzione d onda, detta orbitale atomico h cost. di Plank m massa E energia totale V energia potenziale elettrone Le funzione d onda sono infinite. Però, come per le onde stazionarie, solo certe funzioni d onda sono permesse (stati stazionari) a cui competono valori di energia ben definiti, tutti multipli di un valore fondamentale (quantizzazione). Ai diversi valori di energia corrispondono per l elettrone uno stato fondamentale e infiniti stati eccitati. L energia dell elettrone è quindi quantizzata a causa della sua natura ondulatoria (in quanto onda stazionaria). (x,y,z) = densità di probabilità probabilità di trovare l elettrone in una regione dello spazio intorno al nucleo
Se ne deduce che: -energia quantizzata -energia sempre diversa da zero -il segno negativo indica che l energia dell elettrone è minore quando si trova nell atomo piuttosto che da solo. 19
COME SI SPIEGANO GLI SPETTRI DI EMISSIONE CON LA TEORIA DI SCHROEDINGER? 0 - Nell atomo gli elettroni possono avere solo certe energie: - n si definisce numero quantico principale 1,, 3 E 1 n 8 4 me 3 h - Le transizioni fra due livelli di energia generano o assorbono fotoni E sup - E inf = hn 0
Serie di Paschen 1 Serie di Balmer Serie di Lyman
MECCANICA CLASSICA Gli elettroni possono ruotare intorno al nucleo con valori di energia continui (qualsiasi valore può essere valido) secondo delle ORBITE CIRCOLARI. SBAGLIATO!!!! MECCANICA QUANTISTICA Gli elettroni possono assumere solo alcuni valori di energia a ognuno dei quali compete una distanza ben precisa dal nucleo. Gli elettroni non possono essere individuati precisamente in un punto, ma si può individuare una zona dello spazio (ORBITALE) dove c è una elevata probabilità di trovare l elettrone.