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Teoria atomica e onde elettromagnetiche
Tipologia: Slide
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**- come sono costituiti gli atomi?
E’ costituita da un campo elettrico (E) e un campo magnetico (H) oscillanti su
piani ortogonali. L’onda viaggia alla velocità, c , di 3 · 108 m/s ( 300. 000 km/s).
Essa è caratterizzata da una lunghezza d’onda, l, definita come la distanza fra un
massimo e quello successivo.
L’ampiezza è l’altezza (massima) dell’onda rispetto all’asse centrale.
Le oscillazioni (treni d’onda per secondo) definiscono la frequenza, n.
4
Con l’esperimento di Young ( 1801 ) sulla diffrazione della luce (deviazione della
traiettoria di propagazione delle onde (come anche la riflessione, la rifrazione, la
diffusione o l'interferenza) quando queste incontrano un ostacolo), la
controversia sembrava risolta in favore della natura ondulatoria della luce.
Un corpo ideale, chiamato corpo nero , è capace di assorbire tutte le radiazioni incidenti senza rifletterle.
Con il corpo nero si elimina la dipendenza dal tipo di materiale e lo spettro di emissione dipende solo da T.
Si notano emissioni soltanto a certe frequenze. All'aumentare di T aumenta anche la n emessa e
l’intensità. Il massimo si sposta a l più basse, quindi a n più elevate. Tutto ciò era in contrasto con la
teoria elettromagnetica classica che prevedeva che il corpo dovesse emettere su tutto lo spettro fino all’UV.
Inoltre, l’energia della radiazione elettromagnetica emessa doveva dipendere soltanto dalla sua
ampiezza e non dalla sua frequenza.
Il massimo nello spettro è legato alla temperatura dalla legge di Wien (T·lmax = cost = 2. 8977685 · 10 -^3
m·K). Per esempio, nel sole la cui lmax è di circa 500 nm ( 5 x 10 -^7 m), la temperatura della sua superficie è
circa 5880 K. Per la terra la cui temperatura media è 288 K, la lmax è circa 10 μ m ( 10 -^5 m), cade cioè
nell’infrarosso e la maggior parte della radiazione viene assorbita da CO 2 e H 2 Ovap (effetto serra).
Intensità di emissione del corpo nero in funzione della lunghezza d'onda per varie temperature (assolute)
Max Planck risolse il disaccordo tra teoria ed esperimento, allontanandosi
definitivamente dalla fisica classica ( 9 Ottobre 1900 ).
Non tutte le energie erano permesse e quindi potevano essere emesse dagli atomi che
vibrano sulla superficie del solido riscaldato, ma solo quelle che soddisfacevano alla
h = 6. 62606896 · 10 -^34 J·s
Se n può assumere solo valori interi, l'energia emessa non è continua (ipotesi
quantistica) e l'oscillatore emette energia solo se si ha variazione nel valore di n : es.
n + 1 → n.
La distribuzione delle energie delle radiazioni segue la legge di Boltzmann
P = e-nh^ n /kT, così la possibilità di radiazioni intense ad alte frequenze è scarsa.
Per estrarre un elettrone, occorre fornire un fotone che abbia almeno un quanto di
energia F. Poiché l'energia e la frequenza sono correlate dall'equazione di Plank E =
h n , all’energia minima necessaria corrisponde una frequenza minima necessaria, o di
soglia, n o: F = h n o
Se si fornisce più energia di quella necessaria per la
ionizzazione (F), usando una radiazione con una frequenza
più alta, l'energia in eccesso si trasforma in energia cinetica
dei fotoelettroni emessi:
Ek = h n – F = h n – h n o
Per spiegare l’effetto fotoelettrico Einstein suggerì che la luce
fosse costituita da particelle dette fotoni, (NATURA
CORPUSCOLARE DELLA LUCE). Quando essi incidono sulla
superficie del metallo, trasferiscono la loro energia agli atomi
della superficie e gli elettroni, se questa è sufficiente, vengono
emessi.
Lo spettro della luce bianca è policromatico
(contiene tutte le radiazioni elettromagnetiche
con lunghezze d’onda comprese nella regione del
visibile), mentre quello emesso dagli atomi è a
righe.
Spettri a righe di gas monoatomici a temperature
elevate, o sottoposti alla scarica di un arco
elettrico:
La radiazione emessa è caratterizzata da alcune
righe a precise lunghezze d’onda.
Un primo modello prevedeva un atomo avente regioni con carica positiva cui si
alternavano regioni di carica negativa. Modello abbandonato a seguito
dell’Esperimento di Rutherford ( 1909 ).
L'esperimento di Rutherford sulla diffrazione delle particelle a (atomi di elio
doppiamente ionizzati) da parte di lamine di oro suggerisce che la massa della
materia sia concentrata in spazi molto piccoli ed il resto sia spazio vuoto.
L'esistenza di particelle riflesse fa pensare che l'atomo sia costituito da un nucleo
(formato da protoni e neutroni) ed una parte periferica esterna leggera, costituita
dagli elettroni (in numero pari ai protoni per garantire l'elettroneutralità dell’atomo
stesso), già scoperti da J. J. Thomson nel 1896 (raggi catodici costituiti da singole
particelle con rapporto carica/massa e/m = 1 , 7588 108 C/g).
Polonio
Condizioni di Bohr
) )
)
) e
e e
e
e
elevquadr
e
e m
n h r n h
e m
r
m
m
h r n
h m r n
h m r n
(^22)
2 2
2 2
2 2 2 2 2
(^222)
2 2 2 2
2 (^2222)
..
2
v 2 v
2 2 v
v 2
v
p
p
p p p
= =
= = =
r
e m r
e r
m e
e
2 2 2
2 2 v
v xr = =
Cioè non tutte le distanze nucleo-elettrone sono possibili !!
L’energia totale del sistema è:
2 2 2
2 2
2 2
2
18
2 2
2 4
e
Cioè non tutte le energie sono possibili!!
v
me
mn
r
Se si impone la condizione di quantizzazione
sostituendo:
19
5892 Å
5890 Å 5896 Å
20
Se si parte dalla relazione di Planck:
e si considera che
secondo Einstein ( 1915 ) dove m è la massa e c la
velocità della luce.
La quantità di moto p di una particella è:
si può scrivere
E = h n
c E h
c = =
2 E = mc
l l
h
p
c
pc = h =
p = m v = m c E = m c^2 = m cc = p c
