Laboratorio estivo di Fisica ModernaLaboratorio estivo di Fisica Moderna

Università Cattolica del Sacro Cuore di BresciaUniversità Cattolica del Sacro Cuore di Brescia

14-16 Luglio 201414-16 Luglio 2014

L'atomo L'atomo e i quanti di energiae i quanti di energia

Cozzo GabrieleCozzo GabrieleFedeli ValeriaFedeli ValeriaLucchini RiccardoLucchini RiccardoMeli GiulianoMeli GiulianoRisotto RamiroRisotto Ramiro

Bariselli AndreaBariselli AndreaBortolotti LucaBortolotti Luca

Misso GiovanniMisso GiovanniTreccani SimoneTreccani Simone

Zuccoli AlessandroZuccoli Alessandro

JOSEPH JOHN THOMSON JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940)(1856-1940)

Modello atomico di Modello atomico di Thomson ( Plum Thomson ( Plum Pudding);Pudding);Esso, elettricamente Esso, elettricamente neutro, presenta un neutro, presenta un numero uguale di numero uguale di elettroni negativi e positivi.elettroni negativi e positivi.

Tubo catodico utilizzato da Thomson nei suoi esperimentiTubo catodico utilizzato da Thomson nei suoi esperimenti

ESPERIMENTO: Apparato strumentaleESPERIMENTO: Apparato strumentale

Cavi elettrici

Amperometro

Bobine di Helmoltz

Bulbo di vetro

Generatore

Asta graduataAsta graduata

Fascio di elettroniFascio di elettroni

Forza di LorentzForza di Lorentz

Svolgimento dell'esperimento:Svolgimento dell'esperimento:

Rappresentazione grafica della formulaRappresentazione grafica della formula

e/m teorico = 1,76*1011 C/kg

Limitazioni strumentali

150 Volt < V < 300 VoltI < 2 Ampère

Il modello di RutherfordIl modello di Rutherford

Nel 1896 Thomsn aveva scpert l'elettrrne e aveva dat un su mdell di atm: un fluuid di carica psitiva che spitava gli elettrrni.

Rutherfrd nel 1906 cnfutò il mdell dell'atm, dettr a “panettrne”, di Thomsn.

Cn il su esperiment si aspettrava di cnfermare il mdell di Thomsn, invece ttrenne un risultat inaspettrat:gli atmi si cmprtavan cme se avesser un nucle dens e di carica psitiva.

L’idea

L’idea era questa: clpire atmi cn particelle di carica psitiva cme le α (nuclei di eli), per ttrenere infrmazini sulla distribuzine delle cariche nell’atm.Se il mdell atmic di Thomsn, in cui le cariche elettrriche sn distribuite unifrmemente nell’intera struttrura, fsse stat crrettr le particelle α avrebber attrraversat indisturbate l’atm. P

art

icel

le α

Atomo di Thomson

Particella α

+

+

L’esperimentoL’apparat è cmpst da una srgente di particelle α, una sttrilissima lamina metallica e un materiale sensibile alle α.Rutherfrd usò una lamina d’r e un rivelatre al slfur di zinc, ni una lamina di allumini e un sensre elettrrnic. Inltre la nstra srgente nn aveva le stesse carattreristiche di quella usata da Rutherfrd.Si scpre cntr gni aspettrativa che alcune particelle interagiscn cn la lamina e sn deviate addirittrura rifluesse.

Risultati

Rutherfrd ttrenne ntevli risultati, rilevand anche particelle deviate di ltre 90°.Ni, avend una srgente mlt men ptente e pc reglare e un temp di sservazine limitat, abbiam registrat sl deviazini più lievi, in un intervall di 30°.

AngoloNumero di particelle α

15° 412,5° 2

10° 107,5° 109

5° 6322,5° 19250,5° 3124

-0,5° 3212-2,5° 2595

-5° 1279-7,5° 316-10° 32

-12,5° 8-15° 3

Il numero di particelle decresce teoricamente secondo il fattore

Ciò significa che tende all'infinito per θ=0 e decresce molto velocemente. Per questo motivo per angoli vicini a 0° il valore teorico si discosta dall'esperienza. Inoltre ci è stato difficile rilevare particelle a distanze maggiori di 15°.

Osservazioni

In seguito a questo esperimento Rutherford pensò ad un modello con un nucleo molto piccolo in cui fosse concentrata la massa di carica positiva e con elettroni orbitanti attorno ad esso.

In questo modo dava una spiegazione alla deviazione e alla riflessione di alcune particelle

Questo sistema aveva però un difetto: non era stabile! Un elettrone, infatti, muovendosi di moto accelerato, perde energia avvicinandosi al nucleo.

Gli elettroni del modello Rutherford quindi avrebbero dovuto precipitare sul nucleo in poche frazioni di secondo!!!

Soltanto successivamente Bohr con la teoria della quantizzazione delle orbite riuscì a rimediare a questo problema. La sua teoria deriva dall'osservazione degli spettri luminosi dei gas.

GLI SPETTRI A RIGHE

Lo spettro in fisica è la figura di diffrazione

creata dalla scomposizione delle

radiazioni elettromagnetiche.

L' IMPORTANZA DEGLI SPETTRI A RIGHE

Lo studio degli spettri permette di

individuare una certa specie

chimica.

I POSTULATI DI BOHR

I Un elettrone in un atomo si muove su un' orbita circolare attorno al nucleo sotto una forza coulombiana secondo le

leggi della meccanica classica.

II Un elettrone si muove su ciascuna orbita senza emettere radiazioni quindi l' energia rimane costante.

III Un elettrone emette una radiazione elettromagnetica se cambia il suo moto per passare da un' orbita all' altra.

A differenza del modello atomico di Rutherford, in quello di Bohr gli elettroni non sono posizionati in una qualsiasi orbita, ma secondo un criterio non arbitrario per cui

possono scambiare con l'esterno solo determinate quantità di

energia.

Bohr, che a quel tempo lavorava con Rutherford, propose un modello che, applicando all'atomo di Rutherford la

quantizzazione dell'energia introdotta da Planck, riusciva a giustificare lo spettro dell'idrogeno.

Gli elettroni possono occupare solo stati quantizzati di energia (orbite); questi stati hanno energie diverse e quello con energia

inferiore è detto stato fondamentale.

Un elettrone può operare una transizione da un livello di energia ad un altro solo assorbendo o emettendo radiazione (III postulato).

Spettro Continuo

Spettro a Righe

Tutto inizia dalla lampada che crea un' elevata differenza di potenziale tale da costringere gli elettroni ad attraversare un tubo di vetro contenente gas.Il gas emette luce: ciò è dovuto alle interazioni che avvengono tra gli atomi e la scarica elettrica.La luce policromatica, prodotta con questo apparato, viene condotta, con un sistema di fenditure e lenti, ad un prisma o ad un reticolo di diffrazione, i quali scompongono tale raggio nelle sue varie componenti monocromatiche

Analisi dei dati sperimentali

Lo scopo dell'esperimento è riprodurre le condizioni che hanno permesso a Bohr di

formulare la sua teoria atomica.Con l'analisi dei dati si nota infatti che ogni diverso elemento possiede specifiche bande di emissione. Esse, a loro volta, sono in diretta correlazione col

modello teorizzato dal fisico danese e con le diverse dinamiche che coinvolgono gli elettroni

all'interno dell'atomo.

Dati sperimentali: neon

Righe spettrali

ANGOLO DI RIFRAZIONE X

Y

INTENSITA'

Dati sperimentali: idrogeno

520nm 704nm

E' possibile ricavare la lunghezza d' onda di ogni banda con la formula:sin(nm

ANGOLO DI RIFRAZIONE X

Y

INTENSITA'