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Teoria Atomica di Dalton

Il concetto moderno della materia

si origina nel 1806 con la teoria atomica

di John Dalton:

• Ogni elemento è composto di atomi.

• Gli atomi di un dato elemento

sono uguali.

• Gli atomi di elementi diversi sono differenti.

• Gli atomi non sono cambiati in atomi diversi in una

trasformazione chimica (reazione).

• I composti si formano quando atomi di due o più

elementi si combinano in una reazione.

Una Visione Microscopica della Materia

• Le sostanze pure sono composte da molecole aventi

un numero fisso di atomi legati per mezzo di legami

chimici.

• Le miscele consistono di un numero variabile di

atomi o molecole diversi.

La Struttura degli Atomi

Verso la metà del 1800 furono scoperte particelle

cariche negativamente (elettroni) usando tubi a raggi

catodici (Crookes).

L’Elettrone

• Il rapporto massa/carica

dell’elettrone fu misurato da

J.J. Thomson usando un tubo a

raggi catodici (1897).

L’Elettrone

• La carica di un elettrone (-1,6021773 x 10-19 C)

fu misurata in un famoso esperimento da Robert

Millikan (1911).

• La massa di un elettrone risulta essere circa 2000

volte più piccola di quella dell’atomo più leggero

(idrogeno).

• Dimostrazione dell’esistenza di particelle

subatomiche.

Il Modello Nucleare

L’esperimento di Rutherford con il foglio d’oro (1909)

provò che la gran parte della massa atomica è

confinata in un piccolissimo volume detto nucleo.

Protoni, Neutroni ed Elettroni

Due ulteriori particelle subatomiche furono scoperte

nei primi anni del 1900: protoni e neutroni.

Particella

(simbolo) Carica assoluta Massa assoluta

Protone(p)

+1,6021773 x 10-19 C +1 1,6726 x 10-24 g

Elettrone(e)

-1,6021773 x 10-19 C -1 9,109390 x 10-28 g

Neutrone(n)

0 0 1,6749 x 10-24 g

Simboli Atomici

• Il numero atomico (Z) di un elemento è il numero di

protoni in un atomo.

• Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ma un

numero diverso di neutroni.

• Il numero di massa (A) di un isotopo è la somma dei

protoni e dei neutroni.

• Una stessa specie atomica ha di solito, diversi

isotopi che formano una miscela isotopica naturale.

Atomi

• Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni

e di protoni.

• Un atomo carico si dice ione ed ha un numero

diverso di elettroni e di protoni.

• Un atomo che ha un eccesso di elettroni (p < e)

è carico negativamente (anione).

• Un atomo che un difetto di elettroni (p > e)

è carico positivamente (catione).

La Struttura Elettronica dell’Atomo

• Le proprietà chimiche degli elementi dipendono

dalla posizione e dall’energia degli elettroni

(struttura elettronica).

• Per comprendere la struttura elettronica,

dovremo illustrare i concetti di:

1. Energia

2. Radiazione elettromagnetica

3. Teoria quantistica

4. L’atomo di idrogeno

5. Gli atomi polielettronici

La Teoria dell’Atomo di Bohr

• L’atomo di idrogeno

rv




(struttura elettronica)



1. Energia





La Radiazione Elettromagnetica

• In fisica classica la luce è considerata come

consistere di un campo elettrico e un campo

magnetico oscillanti (natura ondulatoria della luce).

• L’intensità massima del campo è l’ampiezza.

• La distanza tra due massimi è la lunghezza d’onda,

λ (m)


• Il numero di massimi che passano per un punto

in un secondo è la frequenza, � [s-1, Hz]

• L’inverso della frequenza è il periodo, � � �/� [s]

• Ricorda: � � ��; � � �/�

• La velocità della luce: � �/� � �� 3 x 108 m s-1


• A1 > A2

• λ1 > λ2

• c1 = c2

• ν1 < ν2

1:

2:

Lo Spettro Elettromagnetico

La radiazione elettromagnetica ha diverse

denominazioni per diversi intervalli di lunghezze

d’onda.

La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria?

• Natura particellare della luce: Newton (1642-1727)

considerava la luce come un fascio di particelle,

capaci, ad esempio, di rimbalzare sulla superficie di

uno specchio.

• Natura ondulatoria della luce: nella prima metà del

XIX secolo fu dimostrata la natura ondulatoria della

luce, integrando l’ottica con la teoria

elettromagnetica di Maxwell e Boltzmann.

La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria?

• Effetto fotoelettrico: la luce incidente su una

superficie metallica provoca l’emissione di elettroni

dalla superficie stessa (fotoelettroni).

• Effetto fotoelettrico: l’effetto fotoelettrico fu

interpretato da Einstein, riprendendo la natura

particellare della luce ipotizzata da Newton; luce

intesa come fascio di fotoni.

Energia Associata alla Luce

• Effetto fotoelettrico: l’emissione di elettroni

dalla superficie metallica stessa avviene solo

se la frequenza della luce incidente è superiore

ad un certo valore soglia.

• Il valore soglia dipende solo dal tipo di superficie

metallica.


• Effetto fotoelettrico: il numero dei fotoelettroni

emessi è proporzionale all’intensità della luce.


• Effetto fotoelettrico: il numero dei fotoelettroni

emessi non dipende dalla frequenza della luce


• Effetto fotoelettrico: l’energia dei fotoelettroni

emessi è quantizzata, in pacchetti di energia pari a

hν, e quindi proporzionale alla frequenza della luce

incidente.

• Equazione di Planck-Einstein: � � �


• Radiazione del corpo nero riscaldato: secondo la teoria

fisica classica della radiazione elettromagnetica

(Maxwell-Boltzmann), un corpo non può mai essere

completamente nero. Cioè non dovrebbe poter assorbire

tutta la luce incidente.

• Se ciò fosse vero, un corpo nero dovrebbe emettere

radiazione (irraggiamento di calore) anche a temperatura

ambiente e non solo se riscaldato ad alte temperature.

Questo però contrasta con l’osservazione sperimentale.

• Radiazione del corpo nero riscaldato: Planck riuscì a spiegare

l’osservazione postulando l’esistenza di quanti di energia,

cioè porzioni intere di energia ciascuna pari a hν, dove:

h = 6,63 x 10-34 J s = 6,63 x 10-34 Kg m2 s-1.

La Natura Dualistica della Luce

Per qualsiasi corpo in movimento:

• Nel mondo macroscopico, gli oggetti hanno una

massa grande e si muovono lentamente.

Esempio: palla da 1 kg che si muove a 6 m s-1:

• Nel mondo macroscopico, l’aspetto ondulatorio è

trascurabile perché le lunghezze d’onda associate ad

oggetti in movimento sono molto piccole rispetto

alle dimensioni dell’oggetto.


• Nel mondo microscopico, i fotoni hanno una massa

che dipende dalla lunghezza d’onda (e quindi

frequenza ed energia) ad essi associata:


• L’elettrone è una particella molto piccola, di massa

nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la

luce):

La Natura Ondulatoria della Materia

• Nel 1976 il CNR produsse un breve film che

documentava l'esperimento di interferenza

da elettroni singoli (l'esperimento più bello della

fisica, secondo un sondaggio promosso dalla rivista

Physics World nel 2002).

• Il film ottenne il premio nella sezione "Fisica" del

Settimo Festival Internazionale del Film Scientifico e

Tecnico, tenutosi a Bruxelles nel 1976.

http://www.bo.imm.cnr.it/users/lulli/downintel/index.html

Interferenza di Elettroni

Interferenza di Elettroni

• Quale è la lunghezza d’onda associata ad

un elettrone che ha � = 3,00 x 107 m s-1?

• La lunghezza d’onda associata ad un

elettrone è dello stesso ordine di

grandezza delle dimensioni dell’atomo

che lo contiene.





(struttura elettronica)



1. Energia





La Teoria Quantistica

• Alcuni fenomeni fisici, quali l’emissione di frequenze

ben determinate di luce da idrogeno gassoso

riscaldato, implicano l’esistenza di quanti di energia.


• L’elettrone possiede solo determinati

stati stazionari di moto.

• In uno stato stazionario l’energia è costante.

• Passando da uno stato stazionario all’altro si ha

emissione o assorbimento di energia.


• Gli elettroni ruotano intorno al nucleo

su orbite definite:

Velocità = �

Raggio = �

Massa = ��

• Sono permesse solo orbite per cui il momento

angolare è un multiplo intero di /��.

• �� × /��

• Da dove arriva questa equazione???

• L’elettrone è una particella molto piccola, di massa

nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la

luce):


Onde e Interferenza


• Il postulato quantico di Bohr, cioè le condizioni per

l’esistenza di stati stazionari:

La circonferenza dell’orbita circolare dell’elettrone

deve essere un multiplo intero della lunghezza

dell’onda associata all’elettrone secondo

l’equazione di De Broglie, altrimenti l’onda avrebbe

interferenza distruttiva.

2��

��

��

2�


Modello di Bohr dell’atomo di idrogeno:

Vedi documento “Atomo di Bohr.pdf” sul materiale didattico per la derivazione di queste equazioni

La Teoria Quantistica

• Alcuni fenomeni fisici, quali l’emissione di frequenze

ben determinate di luce da idrogeno gassoso

riscaldato, implicano l’esistenza di quanti di energia.

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