ONDE ELETTROMAGNETICHE

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ONDE ELETTROMAGNETICHE

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ONDE ELETTROMAGNETICHE. ONDE ELETTROMAGNETICHE. campo elettrico. +. corrente. campo magnetico. UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;. QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO MAGNETICO. VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICO - PowerPoint PPT Presentation

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ONDE ELETTROMAGNETICHE

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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

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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

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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?

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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

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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]

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ONDE MECCANICHE

Page 8: ONDE ELETTROMAGNETICHE

ONDE MECCANICHE: onde acustiche

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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

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fT

v

Velocita' di progazione delle onde acustiche

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• 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)

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

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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

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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

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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

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

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NUCLEO E FORZA NUCLEARE

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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

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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.

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• 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.

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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

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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]

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• 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

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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

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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’

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• 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

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SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Page 28: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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?

Page 29: ONDE ELETTROMAGNETICHE

• 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 ?

Page 30: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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

Page 31: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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

Page 32: ONDE ELETTROMAGNETICHE

• 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

Page 33: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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

Page 34: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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

Page 35: ONDE ELETTROMAGNETICHE

• 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

Page 36: ONDE ELETTROMAGNETICHE

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

Page 37: ONDE ELETTROMAGNETICHE

• 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

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Page 39: ONDE ELETTROMAGNETICHE

• 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