Teoria Atomica di Dalton Il concetto moderno della materia si origina nel 1806 con la teoria atomica di John Dalton: Ogni elementoè composto di atomi. Gli atomi di un dato elemento sono uguali. Gli atomi di elementi diversi sono differenti. Gli atomi non sono cambiati in atomi diversi in una trasformazione chimica (reazione). I composti si formano quando atomi di due o più elementi si combinano in una reazione.
Una Visione Microscopica della Materia Le sostanze pure sono composte da molecoleaventi un numero fisso di atomi legati per mezzo di legami chimici. Le miscele consistono di un numero variabile di atomi o molecole diversi.
La Struttura degli Atomi Verso la metà del 1800 furono scoperte particelle cariche negativamente (elettroni) usando tubi a raggi catodici (Crookes).
L Elettrone Il rapporto massa/carica dell elettrone fu misurato da J.J. Thomson usando un tubo a raggi catodici (1897).
L Elettrone La caricadi un elettrone (-1,6021773 x 10-19 C) fu misurata in un famoso esperimento da Robert Millikan(1911). La massadi un elettrone risulta essere circa 2000 volte più piccola di quella dell atomo più leggero (idrogeno). Dimostrazione dell esistenza di particelle subatomiche.
Il Modello Nucleare L esperimento di Rutherford con il foglio d oro (1909) provò che la gran parte della massa atomica è confinata in un piccolissimo volume detto nucleo.
Il Modello Nucleare L esperimento di Rutherford con il foglio d oro (1909) provò che la gran parte della massa atomica è confinata in un piccolissimo volume detto nucleo.
Protoni, Neutroni ed Elettroni Due ulteriori particelle subatomiche furono scoperte nei primi anni del 1900: protoni e neutroni. Particella (simbolo) Carica assoluta Massa assoluta Protone (p) Elettrone (e) Neutrone (n) +1,6021773 x 10-19 C +1 1,6726 x 10-24 g -1,6021773 x 10-19 C -1 9,109390 x 10-28 g 0 0 1,6749 x 10-24 g
Simboli Atomici Il numero atomico (Z) di un elemento è il numero di protoni in un atomo. Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni. Il numero di massa(a) di un isotopo è la somma dei protoni e dei neutroni. Una stessa specie atomica ha di solito, diversi isotopi che formano una miscela isotopica naturale.
Atomi Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni e di protoni. Un atomo carico si dice ioneed ha un numero diverso di elettroni e di protoni. Un atomo che ha un eccesso di elettroni (p < e) è carico negativamente (anione). Un atomo che un difetto di elettroni (p > e) è carico positivamente (catione).
La Struttura Elettronica dell Atomo Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla posizione e dall energia degli elettroni (struttura elettronica). Per comprendere la struttura elettronica, dovremo illustrare i concetti di: 1. Energia 2. Radiazione elettromagnetica 3. Teoria quantistica 4. L atomo di idrogeno 5. Gli atomi polielettronici
La Teoria dell Atomo di Bohr L atomo di idrogeno r v
La Struttura Elettronica dell Atomo Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla posizione e dall energia degli elettroni (struttura elettronica) Per comprendere la struttura elettronica, dovremo illustrare i concetti di: 1. Energia 2. Radiazione elettromagnetica 3. Teoria quantistica 4. L atomo di idrogeno 5. Gli atomi polielettronici
La Radiazione Elettromagnetica In fisica classica la luce è considerata come consistere di un campo elettrico e un campo magnetico oscillanti (natura ondulatoria della luce). L intensità massima del campo è l ampiezza. La distanza tra due massimi è la lunghezza d onda, λ (m)
La Radiazione Elettromagnetica Il numero di massimi che passano per un punto in un secondo è la frequenza, [s -1, Hz] L inverso della frequenza è il periodo, / [s] Ricorda: ; / La velocità della luce: / 3 x 10 8 m s -1
La Radiazione Elettromagnetica 1: 2: A 1 > A 2 λ 1 > λ 2 c 1 = c 2 ν 1 < ν 2
Lo Spettro Elettromagnetico La radiazione elettromagnetica ha diverse denominazioni per diversi intervalli di lunghezze d onda.
La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria? Natura particellare della luce: Newton (1642-1727) considerava la luce come un fascio di particelle, capaci, ad esempio, di rimbalzare sulla superficie di uno specchio. Natura ondulatoria della luce: nella prima metà del XIX secolo fu dimostrata la natura ondulatoria della luce, integrando l ottica con la teoria elettromagnetica di Maxwell e Boltzmann.
La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria? Effetto fotoelettrico: la luce incidente su una superficie metallica provoca l emissione di elettroni dalla superficie stessa (fotoelettroni). Effetto fotoelettrico: l effetto fotoelettrico fu interpretato da Einstein, riprendendo la natura particellare della luce ipotizzata da Newton; luce intesa come fascio di fotoni.
Energia Associata alla Luce Effetto fotoelettrico: l emissione di elettroni dalla superficie metallica stessa avviene solo se la frequenza della luce incidente è superiore ad un certo valore soglia. Il valore soglia dipende solo dal tipo di superficie metallica.
Energia Associata alla Luce Effetto fotoelettrico: il numerodei fotoelettroni emessi è proporzionale all intensità della luce.
Energia Associata alla Luce Effetto fotoelettrico: il numerodei fotoelettroni emessi non dipende dalla frequenza della luce
Energia Associata alla Luce Effetto fotoelettrico: l energia dei fotoelettroni emessi è quantizzata, in pacchetti di energia pari a hν, e quindi proporzionale alla frequenza della luce incidente. Equazione di Planck-Einstein:
Energia Associata alla Luce Radiazione del corpo nero riscaldato: secondo la teoria fisica classica della radiazione elettromagnetica (Maxwell-Boltzmann), un corpo non può mai essere completamente nero. Cioè non dovrebbe poter assorbire tutta la luce incidente. Se ciò fosse vero, un corpo nero dovrebbe emettere radiazione (irraggiamento di calore) anche a temperatura ambiente e non solo se riscaldato ad alte temperature. Questo però contrasta con l osservazione sperimentale. Radiazione del corpo nero riscaldato: Planckriuscì a spiegare l osservazione postulando l esistenza di quanti di energia, cioè porzioni intere di energia ciascuna pari a hν, dove: h = 6,63 x 10-34 J s = 6,63 x 10-34 Kg m 2 s -1.
La Natura Dualistica della Luce Per qualsiasi corpo in movimento:
La Natura Dualistica della Luce Nel mondo macroscopico, gli oggetti hanno una massa grande e si muovono lentamente. Esempio: palla da 1 kg che si muove a 6 m s -1 : Nel mondo macroscopico, l aspetto ondulatorio è trascurabile perché le lunghezze d onda associate ad oggetti in movimento sono molto piccole rispetto alle dimensioni dell oggetto.
La Natura Dualistica della Luce Nel mondo microscopico, i fotoni hanno una massa che dipende dalla lunghezza d onda (e quindi frequenza ed energia) ad essi associata:
La Natura Ondulatoria della Materia L elettrone è una particella molto piccola, di massa nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la luce):
Interferenza di Elettroni Nel 1976 il CNR produsse un breve film che documentava l'esperimento di interferenza da elettroni singoli (l'esperimento più bello della fisica, secondo un sondaggio promosso dalla rivista Physics World nel 2002). Il film ottenne il premio nella sezione "Fisica" del Settimo Festival Internazionale del Film Scientifico e Tecnico, tenutosi a Bruxelles nel 1976. http://www.bo.imm.cnr.it/users/lulli/downintel/index.html
Interferenza di Elettroni
La Natura Ondulatoria della Materia Quale è la lunghezza d onda associata ad un elettrone che ha = 3,00 x 10 7 m s -1? La lunghezza d onda associata ad un elettrone è dello stesso ordine di grandezza delle dimensioni dell atomo che lo contiene.
La Struttura Elettronica dell Atomo Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla posizione e dall energia degli elettroni (struttura elettronica) Per comprendere la struttura elettronica, dovremo illustrare i concetti di: 1. Energia 2. Radiazione elettromagnetica 3. Teoria quantistica 4. L atomo di idrogeno 5. Gli atomi polielettronici
La Teoria Quantistica Alcuni fenomeni fisici, quali l emissione di frequenze ben determinate di luce da idrogeno gassoso riscaldato, implicano l esistenza di quanti di energia.
La Teoria dell Atomo di Bohr L elettrone possiede solo determinati stati stazionari di moto. In uno stato stazionario l energia è costante. Passando da uno stato stazionario all altro si ha emissione o assorbimento di energia.
La Teoria dell Atomo di Bohr
La Teoria dell Atomo di Bohr Gli elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite definite: Velocità = Raggio = Massa = Sono permesse solo orbite per cui il momento angolare è un multiplo intero di /. / Da dove arriva questa equazione???
La Natura Ondulatoria della Materia L elettrone è una particella molto piccola, di massa nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la luce):
Onde e Interferenza
La Teoria dell Atomo di Bohr Il postulato quantico di Bohr, cioè le condizioni per l esistenza di stati stazionari: La circonferenza dell orbita circolare dell elettrone deve essere un multiplo intero della lunghezza dell ondaassociata all elettrone secondo l equazione di De Broglie, altrimenti l onda avrebbe interferenza distruttiva. 2 2
La Teoria dell Atomo di Bohr Modello di Bohr dell atomo di idrogeno: Vedi documento Atomo di Bohr.pdf sul materiale didattico per la derivazione di queste equazioni
La Teoria dell Atomo di Bohr
La Teoria Quantistica Alcuni fenomeni fisici, quali l emissione di frequenze ben determinate di luce da idrogeno gassoso riscaldato, implicano l esistenza di quanti di energia.