1. La Fisica Classica

2. L’elettrone e l’esperimento di Millikan

3. Gli spettri e il calore

4. La fisica quantistica e l’effetto fotoelettrico

5. I modelli atomici di Rutherford e Bohr

LA FISICA CLASSICA

Si può parlare di fisica classica a partire dal XVII secolo fino al XIX secolosviluppatasi in particolare grazie alla meccanica newtoniana. Dal 1600 la fisicaacquista una certa autonomia dalla filosofia. In questo periodo la maggiorparte dei fenomeni trova spiegazione nella meccanica newtoniana, nellateoria elettromagnetica di Maxwell, nella termodinamica o nella meccanicastatistica di Boltzmann. Lo scienziato è colui che osserva i fenomeni senza però intervenire e

senza modificarli. I punti sono definiti come particelle di materia indistruttibili, formi o in moto

uniforme, che a volte interagiscono tra di loro per forza attrattiva. La forzaagisce tra le coppie di punti lungo la loro congiungente. < distanza > forza.

F = m a. Si ha una variazione di velocità se ci sono forze non equilibrate.Se non c’è variazione di velocità c’è variazione di forze.

Il moto di un corpo si può rappresentare studiando le sue parti più piccole oun intero corpo esteso rappresentato in un unico punto. Come dice Galileo:”L’universo è scritto in lingua matematica” di conseguenza i fenomenipossono essere dimostrati.

Il maggior contributo per la descrizione delle forze della naturafu La legge di gravitazione universale , formulata da IsaacNewton nel 1684. L'espressione algebrica della legge è

dove F è la forza gravitazionale, m1 e m2 le masse dei due corpi,d la loro mutua distanza, e G la costante gravitazionale del valoredi 6,67 × 10-11 N m2 kg-2

Equilibrio dinamico: per spiegarlo si usa il modello del sasso che ruota.Il sasso (pianeta) possiede una velocità e la forza centripeta lo lega alcentro quindi è la velocità stessa che fa si che ci sia un equilibrio. C’èanche la forza centrifuga ma si tratta di una forza apparente.

vFcf

Fc

Energia totale è data dalla somma dell’energia potenziale e di quellacinetica che è la meta dell’altra. Il segno negativo è dovuto al fatto che ilpianeta è legato al Sole. E = 0 se il pianeta è lontanissimo (all’infinito)

EC = ½ mv2 Ep = -(GmM)/ r Et = ½ mv2 – (GMm)/r

V2 = GM/r

E = ½ (GMm)/r – (GMm)/r = - ½ (GMm)/r

La forza è un’azione a distanza tra due corpi ed è istantanea. Tutte leforze in natura sono la combinazione di tre tipi di forze: gravitazionale,forza elettro – debole e forza forte. Ci sono anche: forze di coesione ossiaforze che tengono insieme molecole dello stesso tipo, forze di adesioneche legano molecole di tipi diversi e forze elastiche. Tutte queste agisconolungo la congiungente tra due parti. F = ma

La forza elettrica ha analogie con la forza di gravità e dipendedall’ambiente. Le interazioni elettriche sono di due tipi: le cariche positive equelle negative. La carica elettrica è una particolare proprietà per cui sioriginavano forze di mutua interazione attrattive e repulsive tra i corpielettrizzati. Unità di misura è l’HertzUna carica oscillante produce un’ondadovuta al campo magnetico che è perpendicolare a quello elettrico.

Magnetismo. Le prime ricerche sul magnetismo risalgono al XVII secolo,tuttavia per lungo tempo i fenomeni elettrici e magnetici furono studiatiseparatamente e questo celò la loro stretta relazione. La situazione mutò nel1829 quando lo scienziato danede Hans Christian Oersted scoprì che unago magnetico si orienta per effetto di una corrente elettrica. Dopo brevetempo André-Marie Ampère dimostrò che due fili percorsi da corrente siattraggono o si respingono come i poli di una calamita. Nel 1831 il britannicoMichael Faraday scoprì che per generare corrente all'interno di un filoconduttore è sufficiente muovere una calamita o mantenere una correntevariabile nelle sue vicinanze.Si scopre che il Nord geografico non è magnetico ossia dove c’è il polo Nordgeografico si trova il polo Sud magnetico.

Polo Nord geografico = Polo Sud magnetico

L’onda meccanica è energia di movimento che si sposta a una certavelocità. Le onde sono in grado di aggirare gli ostacoli quando due di essesi incontrano si possono annullare. Le onde viaggianti sono quelle chetrasportano la loro energia nello spazio. Le onde possono esseretrasversali o longitudinali. Le quattro proprietà delle onde sono: periodo,frequenza, lunghezza e ampiezza.

L’esperimento del fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz spiegò la naturadella propagazione delle onde elettromagnetiche. provò sperimentalmenteche l'elettricità può essere trasmessa per mezzo di onde elettromagneticheche viaggiano alla velocità della luce. I suoi esperimenti portaronoall'invenzione del telegrafo senza fili e della radio. L'unità di frequenzavenne chiamata hertz (Hz) in suo onore.

Onda Longitudinale e Onda Trasversale

“Scoprendo l’elettrone, dall’esperimento di Thomson a quellodi Millikan, analizzando la carica”

PREFAZIONE:

Dall’affermazione di Dalton secondo cui ogni sostanza elementare eracomposta da atomi uguali tra di loro che si differenziavano da sostanza asostanza ed erano indivisibili singolarmente, attraverso l’elettrizzazione deicorpi, lo strofinio o anche la radioattività di varie sostanze si capì che gliatomi, a differenza di come Dalton aveva supposto, dovevano esserecostituiti da particelle più piccole e che alcuni corpi emettevano varie ondeche si dividevano in: onde alfa (2n+2p) onde beta (formate da elettroni) onde gamma (formate da pura energia)

“ESPERIMENTI BASE NELLA SCOPERTA DELL’ELETTRONE”Il primo passo verso la ricerca della struttura atomica fu compiuto nell’esperimento dei tubi di Crookes :

Con l’utilizzo di un gas,interno al contenitore divetro, si notano alle variepressioni stabilite levariazioni dell’andamentodelle scariche elettriche.

Successivamente conl’utilizzo di un secondogeneratore e un mulinelloa pale di grafite si noteràla natura corpuscolare diqueste radiazioni chesono quindi formate daparticelle.

Avendo queste particelle carica negativa verranno chiamate elettroni,intendendo con questo nome le particelle che vengono perse dagli atomidei gas ionizzati dall’azione del campo magnetico.

.

Con un altro grande esperimento, realizzato da Thomson, si cercò di scoprire il rapporto tra la carica dell’elettrone e la sua massa:

Prendendo un tubo

dilatato ad una estremità contenente solfuro di zinco e una scala graduata, con l’utilizzo prima di un generatore poi di due generatori e infine di una calamita con un generatore si potrà notare che le radiazioni confluiscono nel punto primario.

Le varie fasi hanno dimostrato che indipendentemente dall‘utilizzo di più generatori e di vari campi magnetici il rapporto tra la carica dell’elettrone e la sua massa è di: -1,76 x 104 coulomb fratto grammi.

Una volta ottenuto il rapporto carica/massa con l’ esperimento di Thomsoncon un successivo esperimento effettuato da Millikan si riuscì a stabilire ilvalore della carica dell’elettrone.L’esperimento di Millikan fu realizzato nel 1909 grazie alle precedentiscoperte di Thomson e alle teorie di Maxwell sull’aspetto continuo dellacarica; fino al 1867 degli elettroni non si sapeva ancora nulla, soltantosuccessivamente grazie ai già citati esperimenti si scoprì che esistevanoparticelle piccole con carica negativa.Millikan svolse il suo esperimento nel seguente modo:

In un contenitore cilindrico dotato di catodo e anodo collegato a ungeneratore esterno con l’utilizzo di un microscopio posto all’interno delcontenitore si poté osservare il movimento di alcune goccioline d’olioinserite grazie ad una speciale polpetta al variare dell’energiasomministrata dal generatore.

Regolando l’ intensità della corrente al passare delle goccioline nelcampo visivo del microscopio si poté vedere in quel momento di stasi delmoto delle goccioline la forza peso è uguale alla forza elettricaessendo E= ddp x nq / d.

In cui ddp=differenza dipotenziale (tanto èmaggiore tanto più glielettroni passerannonel circuito)

La n= numero dicariche negative(maggiore sarà ilnumero di carichemaggiore sarà la forzaelettrica).

Q=cariche. La d= alla distanza tra i

due elettrodi(maggiore è la distanzaminore sarà la forzaelettrica.

Successivamente attraverso il microscopio Millikan calcolò il diametrodelle goccioline d’olio conoscendo poi anche il volume e la densità siricavò la massa (d=m/v) da ciò ottenne che la carica dell’elettrone era di1,6 x 10-19 sapendo poi il valore di carica / massa sostituendo Q ricavòM che risultò essere 9,11 x 10-31 kg.

“CARICA TOTALE DI UN CORPO”

Di importanza fondamentale per stabilire la carica di un elettrone sonosenz’altro la densità e la velocità ma la carica totale di un corpo è formatada grani, le caratteristiche del grano elementare coincidono con la caricadell’elettrone, scoperta dell’elettrone che fu alla base del modello diThomson.Successivamente grazie alle brillanti intuizioni di altri grandi scienziati comeGoldstein, Ratherford e Bohr il modello atomico sarà completato e ampliatopermettendoci così di poter definire con precisione la carica totale di uncorpo e la struttura atomica.

La quantizzazioneL'ipotesi che si vuole sostenere, proviene dall'intuizione e successivededuzioni che i fenomeni 'quantizzati' hanno un unico denominatorecomune : Lo Spazio.La materia appare "quantizzata", gli atomi sono i costituenti primari diqualsiasi sostanza e sono le "porzioni" di materia al di sotto delle quali nonsi hanno più le caratteristiche chimico fisiche della sostanza(elemento)stessa.

Max Planck formulo' la sua famosa legge .la quale ci mostra comel'energia in natura appaia 'quantizzata' secondo la costante h il cuivalore e' , come vedremo meglio in seguito h ci fornisce,quantizzandolo, il livello energetico minimo o multiplo di questo minimo,di qualsiasi onda elettromagnetica esistente nello Spazio.Robert Millikan nel 1916 dimostro' che anche l'energia elettrica e'quantizzata, i "quanti di elettricità chiamati elettroni hanno una caricaelettrica di , o se si preferisce un Coulomb di carica sono elettroni.Dalla semplice osservazione che qualsiasi manifestazione presentenella realtà appare quantizzata, nasce l'ipotesi dello "Spazio Quantizzato", chedeve essere intesa come una nuova interpretazione o categorizzazionelogica della realtà.Il concetto di quantizzazione deve essere spostato dal "contenuto"(Carica, Massa, Energia, ecc.) al "contenitore" : lo Spazio, laquantizzazione-abilita' e' una sua proprieta'.

I MODELLI ATOMICI DI RUTHERFORD E DI BOHR

Rutherford

- Professore di fisica all’università di Manchester, subito dopo la scoperta,del fisico francese A.H. Becquerel, individuo’ i tre principali componenti delleradiazioni che chiamo alfa, beta, gamma.

- Successivamente, fece un esperimento nel quale voleva dimostrare che,come aveva detto Thomson l’atomo era costituito in ugual numero daparticelle positive e negative che condividevano lo stesso spazio.

- L’esperimento consisteva in un contenitore di piombo dal quale venivanoemesse radiazioni alfa che venivano indirizzate verso una lamina d’oro.Intorno a tutta la costruzione Rutherford pose una pellicola fotografica.

- Inizialmente R. pensava che tutte le particelle delle radiazionitrapassassero la lamina e si fermassero sulla pellicola e che alcunedeviassero.

- In realta’ il 99% delle particelle passava e si fermava sulla pellicola , un

po’ deviavano ma 1 su 8000 tornava indietro.

- Da questi risultati R. dedusse che l’atomo era costituito da un nucleodenso , dotato di massa e di una forte carica elettrica circondato da uno“sciame” di elettroni.

-Questo fu il primo modello atomico rappresentato come un modelloplanetario infatti il nucleo rappresenta la terra e gli elettroni i pianeti che leruotano intorno.

- Il modello atomico di R.’ tuttavia, presentava alcuni inconvenienti poiche’gli elettroni a causa del loro moto intorno al nucleo dotati diaccelerazione non nulla, avrebbero dovuto continuare a irraggiare,perdendo continuamente energia, fino a collassare sul nucleo.

- Questo avrebbe reso impossibile l’esistenza di atomi stabili.

-ATOMO DI BOHR

- In seguito a queste considerazioni Bohr propose un nuovo modelloatomico frutto delle teorie di Rutherford e di dati sperimentali.

Il nuovo modello e’ entrato a far parte dei fondamenti della meccanicaquantistica. L’ atomo di B. consiste in un nucleo di carica positiva al quale

ruotano intorno gli elettroni di carica negativa che percorrono orbitestazionarie.

- Le orbite scoperte da B. sono fisse ma non equidistanti , ci sono infinitilivelli possibili.

-B. afferma inoltre due postulati :1) allo STATO STAZIONARIO gli elettroni ruotano su orbite definite e fisse

senza mai assorbire ne cedere energia.2) allo STATO ECCITATO assorbendo E dall’ esterno gli elettroni possono

spostarsi dall’orbita stazionaria ad un'altra.

- In seguito a cio’ si dice che l’E nell’ atomo e’ quantizzata , cioe’ laquantita’ di E che assorbe un elettrone nel passaggio da un orbita ‘all’altra e’ definita.

- Spontaneamente l’elettrone tendera’ a tornare all’ orbita stazionariacedendo la stessa quantita’ di E assorbita prima.

B. afferma che gli elettroni possono percorrere gli spazi in base all’ E

υ = E2 –E1 h

- LIVELLI ENERGETICI : sono gli spazi che percorrono gli elettroniintorno al nucleo con valore costante di E

-Spontaneamente l’elettrone perde energia sotto forma di ONDEELETTROMAGNETICE per far tornare stabile l’ atomo

GLI ELETTRONI POSSONO STARE SOLO IN DETERMINATI SPAZI

Condizione quantica degli atomi secondo Bohr

-Calcolando l’Ec e l’Ep dell’ elettrone all’interno dell’atomo B. HADEFINITO L’EtotDE BROGLIE

E=hυ eugualiandoE=mc2 hυ=mc 2

hc =mc2

λ

λ=h DUALISMO ONDA/PARTICELLA mc

SPETTROSCOPIA Si occupa di esaminare e interpretare gli spettri e quindi le molecole quando

la materia viene opportunamente eccitata. SPETTRO insieme di radiazioni, messe o assorbite da atomi o

molecole espresse per mezzo di lunghezze d’onda o di frequenze. STORICAMENTE: tutto ebbe origine da Newton; la prima importante

scoperta fu un elemento ancora sconosciuto sulla terra:

Helios=sole

SPETTRI ATOMICI

SPETTRI DI EMISSIONE:emessi da corpi incandescenti solidi, liquidi, gassosi

•Spettro continuo o discreto:nel campo visibile presenta tutti i colori dal ROSSO al VIOLETTO

•Spettro a righe:presenta righe colorate su sfondo nero

•Spettro di bande:presenta una successione molto fitta di righe

SPETTRI DI ASSORBIMENTO

Si creano quando una sostanza, allo stato gassoso ma a bassa temperatura, si trova tra una sorgente luminosa e l’osservatore.

•Per alcune sostanza le righe dello spettro di assorbimento= righe spettro di emissione.

•Gli spettri di emissione e assorbimento, ossia le lunghezze d’onda e la frequenza variano da elemento a elemento.

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Onde radioMicroondeRaggi x o raggi

gamma

SPETTRO VISIBILE

υ più bassa solo la parte che l’occhio umano può percepire.

INFRAROSSO: la υ prima del rosso

ULTRAVIOLETTO: la υ dopo il violetto

λ=c/υ

SPETTRO ELETTROMAGNETICO, LUNGHEZZE D’ONDA E FREQUENZE

SPETTROSCOPIO NOME ORIGINALE:

Apparecchiatura per verificaspettri di rifrazione con camerachiusa (Spettroscopio)ANNO:1960 circaDIMENSIONI:Larghezza: 44 cmProfondità: 23 cmAltezza: 30 cmMATERIALI:Vetro, ottone verniciatoSTRUMENTO FUNZIONANTEANALISI GENERICAStrumento per l'analisi della composizione spettrale della radiazione elettromagnetica emessa da una sorgente e dispersa da un prisma.

ESPERIMENTO

I° elemento: SOLE II° elemento: SODIO

incandescente III° elemento: TUBO

AL NEON

Ogni striscia=λ= fotoni di determinata energia

SPETTRO CONTINUO DEL SOLE

STRUTTURA DEGLI SPETTROSCOPI

COSTRUZIONE SEMPLICE DI UNO SPETTROSCOPIO

Si prende una semplice scatola di cartone, su un lato si pratica una fessura di circa 1 cm di ampiezza per l’ingresso delle luce; sul fondo si pone il reticolo di diffrazione della luce, che riflette la luce scomponendola nelle sue componenti. Un reticolo si può semplicemente ricavare tagliando 2 cm di un CD fuori uso, in quanto possiede una superficie argentata e riflettente. La luce scomposta e riflessa è mandata a una seconda apertura di 2 cm di lato, fuori dalla quale si pone uno schermo (ad esempio un semplice foglio di carta bianca) sul quale appariranno i diversi colori. Si deve prestare attenzione che la luce in ingresso e quella in uscita formino un anglo i 45°. Per evitare interferenze con la luce in ingresso e quella in uscita è opportuno porre in corrispondenza del reticolo di rifrazione uno schermo di cartone nero che arriva a 2 cm della superficie del reticolo medesimo.