Lezione 7

Cenni di struttura della materia.

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“Particelle”

La materia è costituita da particelle (atomi e

molecole), legate da forze di natura

elettromagnetica per formare i corpi

materiali.

I corpi materiali, a loro volta, si differenziano

poi a seconda dell’entità di tali forze.

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I mattoni della materia: p,n,e

Protoni (p), neutroni (n) ed elettroni (e) sono i

mattoni più “grossolani” di cui è fatta la materia.

Essi si aggregano formando atomi, ovvero

strutture più o meno stabili presenti nel

nostro universo.

In realtà oggi sappiamo che n,p non sono costituenti

elementari ma sono composti di quark

(3 quark per ciascuno), i veri mattoni elementari di

cui è costituita la materia.WWW.SLIDETUBE.IT

Composizione a quark

p = u u d

n = u d d

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Proprietà dei quark

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Carica elettrica

p ed e sono elettricamente carichi e

possono quindi interagire elettricamente.

n sono neutri e la loro presenza nell’atomo è

necessaria per assicurarne la stabilità.

Gli atomi sono elettricamente neutri (non privi di

cariche ma con cariche positive e negative presenti

in ugual numero).

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Elementi naturali

Attualmente gli elementi naturali (cioè presenti in natura)

sono 92. Ad essi, fino ad oggi, bisogna aggiungere altri 15

elementi (transuranici) creati dall’uomo, l’ultimo dei

quali, l’elemento 107, è stato sintetizzato solo nel 1977

(Flerov, Dubna, Russia).

Poiché gli elementi sono circa 100 anche le specie

atomiche sono circa 100.

Esempio: potete pensare alle specie atomiche come alle

lettere dell’alfabeto: le prime si compongono a formare ogni

varietà di materia; con le ultime possiamo formare ogni

parola.

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Struttura atomica degli elementi

In natura esistono elementi (es. i gas nobili) il cui

macroelemento chimico è formato da un solo atomo ed altri

(es. zolfo, fosforo, etc.) per cui è formato da due o più

atomi della stessa specie; altri ancora (es. sostanze

organiche) il cui macroelemento chimico è formato da

migliaia o milioni di atomi, anche di specie diversa.

L’unione di due o più atomi della stessa specie o di

specie diverse si chiama molecola.

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Molecole

A seconda della propria struttura (disposizione

elettronica) gli atomi possono legarsi (legame

chimico) tra loro a formare le molecole.

In generale, una molecola si può ancora

considerare una parte elementare del corpo

che risulta pertanto formato da un grandissimo

numero di molecole identiche.

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Interazione molecolare

In generale, le molecole si attraggono o respingono

reciprocamente con forze che dipendono dalla distanza,

per effetto delle forze elettriche agenti a livello atomico.

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Modello di interazione

molecolare: particelle immobili

Tra due molecole che interagiscono esiste una

distanza di equilibrio d0 che rappresenta la

condizione in cui forze attrattive e repulsive si

equivalgono.

Il tentativo di avvicinarle fa nascere forze repulsive

subito molto intense; quello di allontanarle fa

nascere forze attrattive, di intensità però

decrescente all’aumentare della distanza.

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Solidi

I solidi sono quei corpi in cui le molecole sono

effettivamente in tale condizione: le forze tra le

varie molecole mantengono le molecole

mediamente alla stessa distanza. Pertanto il corpo

conserva forma e volume.

Inoltre, se soggetto ad una sollecitazione esterna il

corpo subisce una deformazione elastica, ovvero

terminata l’azione esterna il corpo tende a

riportarsi nella configurazione iniziale.

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Agitazione termica

Il modello esposto rappresenta una

schematizzazione drastica della situazione.

A livello microscopico infatti tutte le particelle

costituenti il corpo sono animate da un moto

disordinato detto di agitazione termica.

N.B. A causa dell’agitazione termica non

possiamo osservare direttamente le singole

molecole.

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Temperatura

Dal punto di vista macroscopico l’agitazione

termica è misurabile mediante la temperatura.

Maggiore agitazione termica

Maggiore energia cinetica delle molecole

Maggiore temperatura.

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Critica al modello delle particelle

immobiliIl modello delle particelle immobili è praticamente

irrealizzabile.

La distanza di equilibrio deve essere considerata una

distanza media attorno alla quale le molecole realizzano il

loro moto di agitazione termica.

Se aumenta l’agitazione termica, aumenta pure il valore

della distanza media di equilibrio: le molecole possono

avvicinarsi tra loro però con maggiore difficoltà di quanto è

invece consentito per allontanarsi.

Segue un aumento delle dimensioni del corpo che è noto

come dilatazione termica.

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Stati di aggregazione della

materiaL’aumentare (con l’agitazione termica) della distanza media tra le

particelle porta alla situazione in cui le forze di richiamo (attrattive)

perdono di intensità e le particelle stesse possono considerarsi

autonome cioè poco o addirittura non interagenti.

Il corpo perde così le caratteristiche del solido e può passare agli stati

di liquido prima e di aeriforme o gas poi.

Dunque: la materia si presenta in tre stati: solido, liquido e

aeriforme a seconda della diversa intensità delle forze che si

esercitano tra le molecole che costituiscono il corpo.

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Stato solido:I

Rappresentazione

schematica

di aggregazione molecolare

allo stato solido.

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Stato solido:II

I solidi hanno forma e volume proprio.

Nei solidi il moto molecolare si riduce ad una

serie di rapide oscillazioni attorno ad alcuni

particolari centri di equilibrio (punti nodali).

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Stato liquido: I

Rappresentazione

schematica

di aggregazione molecolare

allo stato liquido.

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Stato liquido: II

I liquidi hanno volume proprio e forma

dipendente dal sistema che li contiene.

Nei liquidi le molecole, mantenendo praticamente

invariate le distanze mutue, possono scorrere a

gruppi, mescolandosi continuamente e riuscendo

talvolta anche a sfuggire dal recipiente che li

contiene (evaporazione).

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Stato gassoso: I

Rappresentazione

schematica

di aggregazione molecolare

allo stato gassoso.

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Stato gassoso: II

I gas hanno forma e volume dipendenti dal

sistema che li contiene.

Nei gas le molecole sono molto distanziate

tra loro e sono in moto rapidissimo e

disordinato (agitazione termica).

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Plasma

In realtà, oltre alle 3 fasi (S,L,G) esiste un

quarto stato di aggregazione detto plasma,

corrispondente alla situazione per cui a

causa di elevetissime temperature gli atomi

si scindono nei loro costituendi, nuclei,

protoni, elettroni.

Il plasma è dunque un insieme di particelle con

carica totale nulla che è molto difficile da

mantenere in laboratorio ma che costituisce lo

stato più diffuso di materia stellare.

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Fluidi = liquidi e gas

Liquidi e gas si dicono genericamente fluidi.

La differenza fondamentale tra solidi e fluidi è che nel

primo caso le molecole hanno una disposizione definita

(reticolo) mentre nel secondo caso no.

Mentre per descrivere il moto di un solido si puo’ pensare

di adattare la descrizione vista per un punto materiale (tutti

i punti materiali costituenti sono “rigidamente” collegati) per

descrivere il moto di un fluido occorre pensare a modalità

diverse di azione di forze (esempio non applicate ad un

singolo punto ma applicate a tutta una superficie o un

volume).

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