L’ATOMOL’ATOMOLaboratorio estivo di

Fisica ModernaUniversità Cattolica del Sacro

Cuore

16-19 luglio ‘03

COMPONENTI DEL GRUPPOCOMPONENTI DEL GRUPPO

ATOMO 1: Jessica Ruggeri

Cora Bregalanti

Federica Caminiti

Simona Corbellini

ATOMO 2: Andrea Picciolo

Luigi Cardamone

Luca Lauretta

Emanuele Egiziano

ATOMO 3: Nicoletta Novello

Elisa Portaluri

Alessandra Roberto

Benedetto Scibetta

Mattia Migliorati

Il tramonto della fisica classica, direttamente connesso con la nascita della fisica moderna, ha innanzitutto lasciato un grande insegnamento: ogni dottrina scientifica ha un proprio campo di

validità.

Introduzione

Obiettivo del nostro percorso era verificare sperimentalmente la struttura composita degli atomi, concettualmente e cronologicamente

connessa con la teoria dei quanti e la

spettroscopia.

Attraverso tre esperienze ci siamo avvicinati alle teorie atomiche di

Thomson, Rutherford, Bohr

THOMSON

Per dare un’immagine concreta alla struttura atomica Thomson nel 1902 teorizza il cosiddetto modello a “PANETTONE”.

Mentre la carica positiva, distribuita in modo continuo, occupa una sfera di raggio r=10-10, gli elettroni sono “sparsi” in numero tale da equilibrare la carica positiva.

RutherfordTra il 1908 e il 1911 Rutherford, per giustificare razionalmente una celebre

esperienza sulla diffusione delle particelle α, introduce il modello planetario degli elettroni.

Egli idealizza l’atomo come un microscopico sistema solare in cui gli elettroni, simili a

pianeti, ruotano attorno ad una massa positiva, più tardi chiamata nucleo.

BohrNel 1913 Bohr presenta un suo modello atomico basato su due postulati:

•ogni orbita ha un determinato livello energetico

•l’elettrone,passando da un orbita all’altra, assorbe o emette una determinata quantità di energia.

L’ENERGIA E’ QUANTIZZATA

L’esperimento di Thomson è la scoperta dell’elettrone...

Thomson attraverso un brillante esperimento riuscì a calcolare il rapporto e/m dimostrando l’esistenza dell’elettrone.

Per ripetere l’esperimento di Thomson ci siamo serviti di un’apparecchiatura come quella in figura:

Attraverso questa attrezzatura èstato possibile studiare i raggi catodici in relazione ad un campo magnetico uniforme.

Abbiamo osservato come i raggi catodici subivano l’influenza del campo magnetico generato dalle due bobine.

Abbiamo ipotizzato che i raggi catodici fossero formati da particelle cariche, dotate di una propria massa e di una propria carica...

In base a queste ipotesi è stato possibile calcolare il rapporto e/m a partire dalle grandezze sperimentali:

e/m= 2V/ (k2I2r2)

In accordo con le nostre ipotesi teoriche questo rapporto si rivelava costante al variare di tutti gli altri parametri della formula precedente.

I raggi catodici erano quindi costituiti da particelle tutte uguali, dotate di una massa e di una carica intrinseca:

gli elettroni...

Misura Sx Misura Dx Raggio (m) Corrente (A) Tensione (V) V/r2 e/m0,04 0,03 3,50E-02 1,5 140 1,14E+05 1,66975E+11

0,042 0,032 3,70E-02 1,5 160 1,17E+05 1,70756E+110,044 0,034 3,90E-02 1,5 180 1,18E+05 1,72903E+110,046 0,036 4,10E-02 1,5 210 1,25E+05 1,8252E+110,05 0,04 4,50E-02 1,5 240 1,19E+05 1,73159E+11

0,052 0,042 4,70E-02 1,5 270 1,22E+05 1,78577E+110,054 0,044 4,90E-02 1,5 300 1,25E+05 1,82552E+11

Media 1,20E+05 1,75E+11Dev. stand. 4,10E+03 6,00E+09Errore Per. 3,4% 3,4%

Misura Sx Misura Dx Raggio(m) Corrente(A) Tensione(V) i2Xr2 e/m0,05 0,045 4,75E-02 1 150 2,26E-03 2,18547E+11

0,047 0,038 4,25E-02 1,2 150 2,60E-03 1,8958E+110,042 0,033 3,75E-02 1,4 150 2,76E-03 1,78901E+110,038 0,029 3,35E-02 1,6 150 2,87E-03 1,71634E+110,035 0,025 3,00E-02 1,8 150 2,92E-03 1,691E+11

Media 2,68E-03 1,86E+11Dev. stand 2,67E-04 2,01E+10Errore Per. 10,0% 10,8%

Valore Teorico Valore Sperimentale1,76E+11 1,80E+11

Diff. Perc.2,5%

I dati ricavati dal nostro esperimento sono i seguenti:

OBIETTIVO: Confronto tra il modello di Thomson (“ a panettone”: carica diffusa in tutto lo spazio dentro cui si muovono gli elettroni) e il

modello di Rutherford (“planetario”: carica positiva concentrata al centro con gli elettroni

che ruotano attorno al nucleo)

…diffusione di particelle

• Scatola cilindrica sottovuoto

• Cannone di particelle

• Lamina d’oro

• Rilevatore di particelle e della loro energia

ESPERIMENTO: Le particelle alfa vengono sparate contro una lamina

d’oro: 1) se tutte le particelle attraversano la lamina, è esatto il

modello di Thomson 2)se alcune particelle rimbalzano, è esatto il modello di

Rutherford

•all’ interno del sistema viene creato vuoto spinto per evitare che le particelle si disperdano

•la sorgente di radiazioni emette particelle •le particelle colpiscono la lamina d’oro

•un sensore collegato al computer rileva il numero di particelle che attraversano la lamina

Verificato che le particelle rimbalzano, lo scopo della rilevazione dei dati era di verificare che la formula teorica: N()/t = d* n*(q

2* QN2 /sen4

(relativa al numero di particelle passate attraverso la lamina, corrispondesse al numero di

particelle rilevate dal sensore.Affinché venisse dimostrata la nostra tesi era

necessario variare l’inclinazione della sorgente rispetto alla lamina.

Dai dati abbiamo ricavato il grafico del numero di particelle in funzione dell’ angolo.

Curva teorica e curva sperimentale dovrebbero corrispondere.

t n° sper. n°/t n° teorico t n° sper. n°/t-20 400 260 0,65 1,669309 -20 400 223 0,5575

-17,5 300 457 1,523333 2,834222-15 200 716 3,58 5,229102 -15 300 1568 5,226667

-12,5 120 1241 10,34167 10,80525-10 60 1452 24,2 26,30472 -10 100 2769 27,69-7,5 60 2454 40,9-5 60 2832 47,2 -5 80 4152 51,9

-2,5 60 3229 53,816670 60 3375 56,25 0 80 4432 55,4

2,5 60 3249 54,155 60 2991 49,85 5 80 3605 45,0625

7,5 60 2458 40,9666710 60 1485 24,75 26,30472 10 100 2030 20,3

12,5 120 1653 13,775 10,8052515 200 961 4,805 5,229102 15 300 985 3,283333

17,5 300 542 1,806667 2,83422220 400 378 0,945 1,669309 20 400 267 0,6675

k Q2

9,5E+30 1,5977E-34

0

10

20

30

40

50

60

-30 -20 -10 0 10 20 30

angolo

n°

curva teorica curva sperimentale 1 curva sperimentale 2

CONCLUSIONE:

Osservando il grafico si nota che le due curve sperimentali coincidono fra di loro e con quella

teorica.

Questo dimostra la corretta acquisizione dei dati e in primo luogo che la formula teorica elaborata da

Rutherford ha una conferma sperimentale.

Si può concludere che il modello planetario è esatto secondo i dati ottenuti!

Gli Spettri a righeLo spettro continuo è ottenuto dalla dispersione della luce bianca nelle sue diverse componenti.

Gli spettri a righe si ottengono nello momento in cui al posto della luce bianca viene utilizzato un gas rarefatto. Gli effetti osservati riguardano esclusivamente la composizione spettrometrica del gas stesso.

Obiettivo dell’esperimento.

L’obiettivo dell’esperimento era di dimostrare la veridicità della tesi di Bohr. Egli ipotizza che esistono solo determinate orbite sulle quali gli elettroni si trovano conservando la propria energia. Gli elettroni possono “saltare” da un’orbita all’altra assorbendo o cedendo energia. Quando gli elettroni passano da un’orbita più esterna a una più interna emettono energia sotto forma di radiazione luminosa. Queste onde luminose hanno ognuna un specifica frequenza, di conseguenza determinano degli spettri a righe. Questi sono un’impronta digitale dell’atomo.

Spettrofotometro

Lampada di Neon

Collimatore

Lente focalizzatrice

Reticolo di diffrazione

Sensore di luce montato su goniometro

Spettro dell’atomo di neon

Usando una fenditura più piccola l’intensità dei picchi è minore, ma lo spettro risulta più dettagliato.

Fenditura 4

Fenditura 1

ConclusioniConclusioni

• Thomson e Rutherford intuiscono la struttura atomica della materia ed elaborano modelli atomici tali da spiegarne il comportamento;

• Bohr, dall’analisi degli spettri di emissione dei gas eccitati, riesce a darne un’interpretazione basandosi sulle leggi della fisica classica;

• Einstein fa un passo avanti rispetto agli schemi teorizzati da Bohr, estendendo il concetto di quantizzazione, oltre che all’energia emessa dagli elettroni eccitati, anche alle onde elettromagnetiche.

Thomson

Rutherford

Bohr

Einstein