ONDE ELETTROMAGNETICHE

ONDE ELETTROMAGNETICHE

UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DACARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;

corrente

campomagnetico

+

campoelettrico

QUANDO ESSE SI MUOVONO,GENERANO UN CAMPO MAGNETICO

• QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO

LA LORO COESISTENZA DA’ ORIGINE AD UN

CAMPO ELETTROMAGNETICOCAMPO ELETTROMAGNETICO

• UNA CARICA ELETTRICA IN MOTO EMETTE O ASSORBE ONDE

ELETTROMAGNETICHE QUANDO E’ SOGGETTA AD ACCELERAZIONI

VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICOVARIABILE NEL TEMPO GENERA UN CAMPO ELETTRICO

Dalla risoluzione delle equazioni di Maxwell risulta che:

E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione

le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto alla velocità della luce

C = 3*108 m/s

ONDE ELETTROMAGNETICHE

LE PROPRIETA' DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE E DELLA LORO PROPAGAZIONE SONO SINTETIZZATE NELLE EQUAZIONI DI MAXWELL

Onda

Perturbazione dello stato di un corpo o di un campo dovuto al trasporto di energia.

Le onde acustiche trasmettono energia al mezzo in cui si propagano attraverso il moto vibrazionale delle molecole. A vibrare sono i vettori posizione, velocità e accelerazione.Le onde elettromagnetiche trasmettono energia perturbando lo stato del campo elettromagnetico.A vibrare sono i campi elettrici e magnetici.

Onda periodica

Onda che presenta la stessa configurazione in intervalli successivi.Un’onda sinusoidale è un’onda periodica la cui descrizione è data da una funzione trigonometrica.

CHE COSA E' UN' ONDA?

Lunghezza d’onda [m] ()

Distanza, in un’onda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale).Frequenza [Hz=s-1] (f oppure )

Numero di ripetizioni di un’onda nell’unità di tempo.

Ampiezza (A)

Legata alla quantità di energia trasportata.

fT

v

Periodo [s] (T)

Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali.

fT

1

Velocità [m/s] (v)

Velocità di movimento del fronte d’onda.

COME si CARATTERIZZA UN'ONDA

Esercizio: calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo 10 msec [f=100 Hz]

Esercizio: calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è 340 m/s [λ = 3.4 m]

ONDE MECCANICHE

ONDE MECCANICHE: onde acustiche

ONDE SONORE

orecchio umanosensibilità

20 Hz < f < 2 104 Hzinfrasuoni ultrasuoni

v = f

varia = 344 m s–1

vH2O = 1450 m s–1 17.2 m < < 1.72 cm 72.5 m < < 7.25 cm

fT

v

Velocita' di progazione delle onde acustiche

• disegno

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Vibrazione dei campi elettrico e magnetico

Intensità: l’energia che un’onda trasporta attraversouna superficie A in un intervallo di tempo t: I=E/(A*t) (W/m2)

Esercizio: calcolare la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica di frequenza 6x1014 Hz [500 nm]

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Ogni tentativo di applicare le leggi della meccanica classica e dell’elettromagnetismo a atomi e molecole e’ risultato infruttuoso

Meccanica quantistica (orbitali, legami, quantizzazione orbite)

Planck: scambi di energia su scala atomica avvengono solo per quantità molto piccole ma irriducibili dette quanti

Einstein: fotone, particella priva di massa con energia e quantità di moto definite

A qualsiasi frequenza le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse e assorbite sotto forma di fotoni

TEORIA DEI QUANTI

Lo studio dell’interazione tra le onde elettromagnetiche e gli atomi e le molecole ha condotto alla scoperta di proprietà corpuscolari delle onde elettromagnetiche

• Esercizio: quanto vale l’energia trasportata da un fotone di lunghezza d’onda 600 nm [E= 2 eV]

NUCLEO E FORZA NUCLEARE

L’ ATOMO

Protoni (p) e neutroni (n)

(NUCLEONINUCLEONI)

costituiscono il NUCLEONUCLEO

dell’atomo,

attorno al nucleo sono disposti su

differenti orbite gli elettroni (e)

++

++++

XZ : NUMERO ATOMICOZ : NUMERO ATOMICO numero dei protoni e degli elettroni dell’atomo

A: NUMERO DI MASSAA: NUMERO DI MASSA numero dei protoni + neutroni presenti nell’atomo

Raggio del nucleo 10-15 m = 1fm

TRANSIZIONI ATOMICHE

Gli elettroni sono legati nell’atomo, ovvero la transizione di un elettrone a un qualsiasi livello diverso da quello fondamentale avviene al prezzo della somministrazione di una quantita’ di energia pari alla differenza energetica tra i due livelli, mentre l’elettrone si libera dall’atomo solo fornendo un’energia pari all’ energia di legame.

• La forza di attrazione coulombiana tra due protoni nel nucleo vale circa 25 kg peso.

• La forza di gravita’ tra le masse protoniche e’ attrattiva ma totalmente insufficiente ad opporsi alla repulsione coulombiana: alle distanze nucleari e’ dell’ordine di 10-30 dyne.

• E’ necessario ipotizzare l’esistenza di una forza attrattiva che agisce solo nel nucleo (a breve raggio d’azione dunque) e molto intensa. Questa forza e’ chiamata forza nucleare forte.

• Nei nuclei agisce anche una seconda forza nucleare, chiamata forza nucleare debole, responsabile di alcuni fenomeni nucleari come certi decadimenti radioattivi.

LA FORZA NUCLEARE FORTE

Energia potenziale nucleare in funzione della distanza di separazione nucleone-nucleone

r (fm)

forza repulsiva forza attrattiva

U(r)

1.50 0.5 1

Raggio del nucleo 10-15 m = 1fm

UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA

Usualmente si misurano le masse degli atomi in UNITA’ DI

MASSA ATOMICA a.m.u. che è 1/12 della massa di 1 atomo di

12C

1 a.m.u.=( 1.99*10-23 g) / 12 = 1.66*10-24 g

mp= 1.007593 a.m.u.

mn= 1.008987 a.m.u.

me= 0.000552 a.m.u.

Per un generico atomo di numero atomico Z e numero di

massa A

M(a.m.u.) = Z mp + (A-Z) mn + Z me

Esercizio: quanto vale la massa del 17O espressa in a.m.u.? [17.146043]

• La massa del 17O, calcolata a partire dalle singole masse atomiche dei suoi costituenti, vale 17.146053 a.m.u., eppure la misura sperimentale risulta 17.004553 a.m.u.; i due valori presentano una discrepanza Δm=0.131510 a.m.u. che prende il nome di DIFETTO DI MASSA e si riscontra in tutti i nuclei.

• I neutroni e i protoni sono legati nel nucleo come gli elettroni sono legati nell’atomo. Come per separare gli elettroni nell’atomo bisogna fornire un’energia pari all’energia di legame, allo stesso modo per separare i neutroni dal nucleo bisogna fare del lavoro.

• Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro che deve essere fatto per separare i protoni e i neutroni dal nucleo.

• L’energia di legame per nucleone del 17O vale dunque 122/17= 7.20 MeV

DIFETTO DI MASSA DEI NUCLEI

Esercizio: si calcoli il difetto di massa del 17O in g

Esercizio: per mezzo dell’equivalenza massa-energia, stabilita dalla teoria della relativita’ E=mc2, si calcoli l’energia corrispondente al difetto di massa del nucleo di 17O

ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE

Numero di massa A

Energia di legame per nucleone (MeV)

8

050

Regione di massima stabilità

100

Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z2 )

tende a prevalere sulla forza di nucleare forte

l’energia di legame decresce

Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV

per mantenere la stabilitàil sistema reagisce arricchendo il nucleo di neutroni, anch’essi soggetti alla forza forte

per Z>82 non esistono nuclei stabili

i nuclei instabili che si formano “decadono” in altri nuclei

3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO

NEUTRONI n

20 82 PROTONI p

N=Z

GLI ATOMI STABILI E INSTABILI

Per A elevati, la repulsione coulombiana tende

prevalere sulla forza nucleare forte:Curva di stabilita’

• per A molto elevati decadimento ALFA

XAZ XA-4

Z-2 + He42 emissione di nuclei di elio

PROCESSI DI DECADIMENTO

• nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA

XAZ * XA

Z+ emissione di fotoni

• per Z N decadimento BETA

XAZ XA

Z+1 + e- + emissione di elettroni o

XAZ XA

Z-1 + e+ + positroni

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

SPETTRO ELETTROMAGNETICOSPETTRO ELETTROMAGNETICO

Da dove originano?

• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche

• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni

f = E1-E2/h

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

Quanta energia viene emessa o

assorbita nel corso di una

transizione atomica?

Quanta energia viene emessa o

assorbita nel corso di una

transizione atomica? Decine di KeV

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

SPETTRO ELETTROMAGNETICOSPETTRO ELETTROMAGNETICO

• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche

• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X

f = E1-E2/h

ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE

Numero di massa A

Energia di legame per nucleone (MeV)

8

050

Regione di massima stabilità

100

Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z2 )

tende a prevalere sulla forza di nucleare forte

l’energia di legame decresce

Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV

Nel corso di una transizione

nucleare vengono emessi decine di

MeV

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

SPETTRO ELETTROMAGNETICOSPETTRO ELETTROMAGNETICO

• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche

• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X

- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi

gamma (possono essere anche prodotti artificialmente)

f = E1-E2/h

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

SPETTRO ELETTROMAGNETICOSPETTRO ELETTROMAGNETICO

• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche

• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X

- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio

f = E1-E2/h

• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche

• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni

Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?

- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X

- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio

- emissione termica dall’infrarosso all’UV

f = E1-E2/h