Terza lezione: 19-11-2024
- Corpo nero
- Righe spettrali idrogeno
- Esercizi
- Modelli atomici
SPETTROSCOPIA (15 ORE)Indice
Le serie spettrali dell'idrogeno
Teoria atomica di Bohr
Spettri di emissione
Fluorescenza e fosforescenza
Effetto fotoelettrico
Spettro dei raggi X
La spettroscopia
La spettroscopia è lo studio delle interazioni della radiazione elettromagnetica con la materia.Lo studio della composizione della luce emessa da corpi incadenscenti forma l'oggetto della spettroscopia. Uno spettro è un insieme di radiazioni, emesse o assorbite da atomi o molecole, espresse in funzione delle lunghezze d'onda o delle frequenze.
La doppia natura
della radiazione elettromagnetica
Radiazione → energia assorbita o emessa da una
sorgente. Le radiazioni elettromagnetiche possono essere
rappresentate come: • onde elettromagnetiche; • minuscoli pacchetti o quanti di energia (fotoni).
Per la loro natura corpuscolare, le radiazioni
elettromagnetiche si possono descrivere come pacchetti o
quanti di energia, chiamati fotoni, capaci di cedere energia
alla materia. Legge di Planck (Planck, 1900): ogni fotone viaggia alla
velocità della luce e ha un’energia pari a
E = h · ν h = costante di Planck = 6,626 · 10–34 J s
Questo dualismo onda-particella è il fondamento della
teoria dei quanti.
Spettro di emissione
Lo spettro di emissione si ha quando le radiazioni emesse da una sorgente opportunamente eccitata vengono direttamente disperse nelle componenti monocromatiche attraverso lo spettroscopio, che, se munito di scala graduata, fornisce la misura della lunghezza d'onda.
Nella Spettroscopia Atomica di Emissione, un atomo emette un fotone dopo essere stato portato ad uno
stato eccitato fornendogli energia termica
La spettroscopia atomica
Gli spettri di emissione
degli elementi Le radiazioni elettromagnetiche prodotte da ogni singolo
elemento (luce), hanno frequenze caratteristiche poiché
coinvolgono fotoni di una precisa energia.
Il corpo nero-Kirchhoff (1860)
Nessun materiale assorbe tutta la radiazione che incide su di esso (parte viene riflessa). E’ peró possibile definire per ogni corpo una capacitá di emettere (potere emissivo e) ed una capacita di assorbire (potere assorbente a).
Per ogni sostanza il comportamento rispetto all’emissione
e all’assorbimento, a paritá di temperatura, é il medesimo
ovvero che il rapporto e / a
= f(ν, T) é una funzione universale che dipende SOLO dalla frequenza,
ν, e dalla temperatura, T, del corpo.
Il corpo nero-Kirchhoff (1860)
CORPO NERO = Un corpo che assorbe tutta la radiazione che riceve, (ovvero a=1), cosi’ che ció che emette e che posso misurare sperimentalmente risulta essere solo una funzione universale della frequenza, ν, e dalla temperatura, T.
Un corpo nero é un contenitore in cui sia stato
fatto un piccolo foro. Infatti, la radiazione
entrante viene completamente assorbita; d’altra
parte, la radiazione uscente da un piccolissimo
foro, non altera apprezzabilmente le condizioni
di equilibrio della cavitá.
La spettroscopia del corpo nero
Il corpo nero è l'oggetto che emette e assorbe più efficacemente lungo tutto lo spettro.
Lo spettro (intensità o densità della radiazione emessa in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza) di un corpo nero è uno spettro dalla caratteristica forma a campana (più o meno asimmetrica e più o meno schiacciata) dipendente unicamente dalla sua temperatura T e non dalla materia che lo compone.
Il corpo nero-la teoria di Planck
Planck consideró un modello per la cavitá costituito da oscillatori armonici elettricamente carichi in grado di scambiare energia con la radiazione alla loro frequenza propria di oscillazione.
Il punto di rottura fondamentale introdotto da Planck fu di
assumere che
L’interazione oscillatore - radiazione é descritto
interamente dalle equazioni di Maxwell;
lo scambio di energia tra oscillatori e particelle puó
avvenire solo in modo discreto attraverso quanti di energia
multipli interi di hν (h = 6.62 · 10−34 J s, detta costante di
Planck ).
Per Planck dunque gli scambi
di energia radiazione-materia sono discreti e quantizzati
E = hν
La teoria di Planck: le ipotesi in sintesi
1 Le molecole delle pareti, come oscillatori, sono investiti
dalle onde elettromagnetiche, assorbono la loro energia e
cominciano ad oscillare riemettendo l’energia assorbita. 2 L’energia viene riemessa in forma di quantitá definite,
quanti, aventi energia E = hν. 3 Non vi é emissione ad alte frequenze perché i pacchetti
che possono essere emessi dovrebbero essere troppo
grandi 4 Se si aumenta la temperatura si aumenta l’energia degli
oscillatori che in questo modo potranno emettere anche a
frequenze piú grandi νmax ∝ T.
Le serie spettrali dell'idrogeno
Quello dell'idrogeno, è lo spettro ad essere stato interpretato per primo ed è stato preso come modello per interpretare gli spettri di altri atomi e molecole. Esso è costituito da un numero piccolo di righe, le cui distanze e intensità decrescono regolarmente verso le lunghezze d'onda minore.
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
m=2
n=3
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
Quindi si ottengono: per m=1 e n=2, 3, 4.... la serie di Lyman nell'ultravioletto per m=2 e n=3, 4, 5.... la serie di Balmer nel visibile per m=3 e n=4, 5, 6.... la serie di Paschen nell'infrarosso per m=4 e n=5, 6, 7.... la serie di Brackett nell'infrarosso per m=5 e n=6, 7, 8.... la serie di Pfund nel lontano infrarosso per m=6 e n= 7, 8, 9.... la serie di Humphrey nel lontano infrarosso
Per gli altri atomi la situazione è più complessa.
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Lo spettro elettromagnetico viene suddiviso in zone che comprendono le componenti che hanno caratteristiche simili di produzione e rivelazione.
Esercizi
Esercizi
Esercizi
Democrito
L'ipotesi che la materia sia formata da atomi risale a Democrito (400 a.c.). Atomo, in greco, significa "non divisibile". L'idea atomistica fu però avversata da Aristotele che, successivamente, divenne il filosofo "ufficiale" della chiesa. Per questo motivo dobbiamo aspettare addirittura fino al 1800 perché gli scienziati riprendessero in considerazione l'ipotesi atomica.
Dalton (1808)
Nel 1808 John Dalton, riprendendo l’ipotesi di Democrito,
afferma che la materia è costituita da miriadi di particelle
piccolissime e indivisibili chiamate atomi.
L’atomo di Dalton può essere perciò rappresentato da una sfera
piena.
La nascita della fisica moderna
Struttura composita degli atomi teoria dei quanti
Faraday Stoney 1830 1874 quantità discrete di elettricità legate agli atomi
Thomson (1895)
Nel 1895 J.J. Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas, utilizzando tubi di Crookes, dimostrò l'esistenza dei raggi catodici.
Thomson (1897)
Nel 1897 J.J. Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas, utilizzando tubi di Crookes, dimostrò che i raggi emessi dal catodo (raggi catodici) erano particelle di carica negativa.
Modelli atomici
I modelli atomici storicamente più rilevanti:
Modello di Bohr 1913
Modello di Thomson 1897
Esperimento di Rutherford 1909
+ info
+ info
+ info
Thomson
Nel 1898 Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo. Egli immaginò che un atomo fosse costituito da una sferetta di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano stati ancora scoperti) in cui gli elettroni negativi (da poco scoperti) erano immersi.
Thomson
E’ la prima struttura atomica che tiene conto della carica elettrica. L’atomo è una minuscola sfera omogenea, dotata di carica positiva diffusa, entro cui sono incorporati gli elettroni in numero sufficiente da rendere nulla la carica totale
Tale modello è stato anche definito a panettone: la massa della pasta rappresenterebbe la carica positiva diffusa, mentre gli elettroni corrisponderebbero all’uvetta.
Da Thomson a Rutherford
Nel 1909 Rutherford fece un esperimento che mise alla prova il modello di Thomson. Bombardò un sottilissimo foglio di oro con raggi alfa (atomi di elio completamente ionizzati, ciò privati degli elettroni). L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non erano quasi mai deviati. Essi attraversavano il foglio di oro senza quasi mai esserne disturbati. Solo alcuni raggi alfa (1 %) erano deviati dal foglio di oro e lo erano in modo notevole (alcuni, addirittura, venivano completamente. respinti).
Il modello di Rutheford (1911)
Il modello di Rutheford (1911)
La carica positiva e quasi tutta la massa sono racchiuse nel nucleo centrale. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo come i pianeti instorno al Sole. Il nucleo è piccolisimo (10-15 m) in confronto al resto dell'atomo (10-10 m). L'atomo è praticamente vuoto.
Il modello di Rutheford (1911)
Sulla base di questo fondamentale esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata in una porzione molto piccola, il cosiddetto nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotano attorno così come i pianeti ruotano attorno al sole.
Il modello di Rutheford (1911)
Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relative enormi. Il modello di Rutherford ha però un grande "difetto" che lo mette in crisi. Secondo la teoria elettromagnetica una carica in movimento accelerato (non in moto rettilineo uniforme) emette onde elettromagnetiche e quindi perde energia. Per questo motivo, gli elettroni dell'atomo di Rutherford, perché ruotano su orbite circolari, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, cadere nel nucleo cosa che invece non accade, perché gli atomi sono oggetti molto stabili (la materia appare normalmente stabile).
Il modello di Bohr (1913)
Le leggi della fisica classica non erano sufficienti a spiegare le osservazioni sperimentali. Bohr intuì che si doveva ricorrere alle nuove ipotesi quantistiche elaborate da Plank ad inizio secolo. Ecco i suoi postulati: -un elettrone può muoversi solo lungo definite orbite circolari in succesione discreta, cioè non tutte le distanza sono permesse (quantizzazione delle orbite) -quando un elettrone percorre una data orbita, non irradia energia. Solo a seguito di una transizione da un'orbita ad un'altra si ha una variazione del contenuto energetico dell'atomo (quantizzazione dell'energia)
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Parte 2 (Corpo nero-righe spettrali dell'idrogeno)
Marta Cardinali
Created on November 18, 2024
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Terza lezione: 19-11-2024
SPETTROSCOPIA (15 ORE)Indice
Le serie spettrali dell'idrogeno
Teoria atomica di Bohr
Spettri di emissione
Fluorescenza e fosforescenza
Effetto fotoelettrico
Spettro dei raggi X
La spettroscopia
La spettroscopia è lo studio delle interazioni della radiazione elettromagnetica con la materia.Lo studio della composizione della luce emessa da corpi incadenscenti forma l'oggetto della spettroscopia. Uno spettro è un insieme di radiazioni, emesse o assorbite da atomi o molecole, espresse in funzione delle lunghezze d'onda o delle frequenze.
La doppia natura della radiazione elettromagnetica Radiazione → energia assorbita o emessa da una sorgente. Le radiazioni elettromagnetiche possono essere rappresentate come: • onde elettromagnetiche; • minuscoli pacchetti o quanti di energia (fotoni).
Per la loro natura corpuscolare, le radiazioni elettromagnetiche si possono descrivere come pacchetti o quanti di energia, chiamati fotoni, capaci di cedere energia alla materia. Legge di Planck (Planck, 1900): ogni fotone viaggia alla velocità della luce e ha un’energia pari a E = h · ν h = costante di Planck = 6,626 · 10–34 J s
Questo dualismo onda-particella è il fondamento della teoria dei quanti.
Spettro di emissione
Lo spettro di emissione si ha quando le radiazioni emesse da una sorgente opportunamente eccitata vengono direttamente disperse nelle componenti monocromatiche attraverso lo spettroscopio, che, se munito di scala graduata, fornisce la misura della lunghezza d'onda.
Nella Spettroscopia Atomica di Emissione, un atomo emette un fotone dopo essere stato portato ad uno stato eccitato fornendogli energia termica
La spettroscopia atomica
Gli spettri di emissione degli elementi Le radiazioni elettromagnetiche prodotte da ogni singolo elemento (luce), hanno frequenze caratteristiche poiché coinvolgono fotoni di una precisa energia.
Il corpo nero-Kirchhoff (1860)
Nessun materiale assorbe tutta la radiazione che incide su di esso (parte viene riflessa). E’ peró possibile definire per ogni corpo una capacitá di emettere (potere emissivo e) ed una capacita di assorbire (potere assorbente a).
Per ogni sostanza il comportamento rispetto all’emissione e all’assorbimento, a paritá di temperatura, é il medesimo ovvero che il rapporto e / a = f(ν, T) é una funzione universale che dipende SOLO dalla frequenza, ν, e dalla temperatura, T, del corpo.
Il corpo nero-Kirchhoff (1860)
CORPO NERO = Un corpo che assorbe tutta la radiazione che riceve, (ovvero a=1), cosi’ che ció che emette e che posso misurare sperimentalmente risulta essere solo una funzione universale della frequenza, ν, e dalla temperatura, T.
Un corpo nero é un contenitore in cui sia stato fatto un piccolo foro. Infatti, la radiazione entrante viene completamente assorbita; d’altra parte, la radiazione uscente da un piccolissimo foro, non altera apprezzabilmente le condizioni di equilibrio della cavitá.
La spettroscopia del corpo nero
Il corpo nero è l'oggetto che emette e assorbe più efficacemente lungo tutto lo spettro.
Lo spettro (intensità o densità della radiazione emessa in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza) di un corpo nero è uno spettro dalla caratteristica forma a campana (più o meno asimmetrica e più o meno schiacciata) dipendente unicamente dalla sua temperatura T e non dalla materia che lo compone.
Il corpo nero-la teoria di Planck
Planck consideró un modello per la cavitá costituito da oscillatori armonici elettricamente carichi in grado di scambiare energia con la radiazione alla loro frequenza propria di oscillazione.
Il punto di rottura fondamentale introdotto da Planck fu di assumere che L’interazione oscillatore - radiazione é descritto interamente dalle equazioni di Maxwell; lo scambio di energia tra oscillatori e particelle puó avvenire solo in modo discreto attraverso quanti di energia multipli interi di hν (h = 6.62 · 10−34 J s, detta costante di Planck ).
Per Planck dunque gli scambi di energia radiazione-materia sono discreti e quantizzati E = hν
La teoria di Planck: le ipotesi in sintesi
1 Le molecole delle pareti, come oscillatori, sono investiti dalle onde elettromagnetiche, assorbono la loro energia e cominciano ad oscillare riemettendo l’energia assorbita. 2 L’energia viene riemessa in forma di quantitá definite, quanti, aventi energia E = hν. 3 Non vi é emissione ad alte frequenze perché i pacchetti che possono essere emessi dovrebbero essere troppo grandi 4 Se si aumenta la temperatura si aumenta l’energia degli oscillatori che in questo modo potranno emettere anche a frequenze piú grandi νmax ∝ T.
Le serie spettrali dell'idrogeno
Quello dell'idrogeno, è lo spettro ad essere stato interpretato per primo ed è stato preso come modello per interpretare gli spettri di altri atomi e molecole. Esso è costituito da un numero piccolo di righe, le cui distanze e intensità decrescono regolarmente verso le lunghezze d'onda minore.
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
m=2
n=3
Le serie spettrali dell'idrogeno
Le serie spettrali dell'idrogeno
Quindi si ottengono: per m=1 e n=2, 3, 4.... la serie di Lyman nell'ultravioletto per m=2 e n=3, 4, 5.... la serie di Balmer nel visibile per m=3 e n=4, 5, 6.... la serie di Paschen nell'infrarosso per m=4 e n=5, 6, 7.... la serie di Brackett nell'infrarosso per m=5 e n=6, 7, 8.... la serie di Pfund nel lontano infrarosso per m=6 e n= 7, 8, 9.... la serie di Humphrey nel lontano infrarosso
Per gli altri atomi la situazione è più complessa.
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Lo spettro elettromagnetico viene suddiviso in zone che comprendono le componenti che hanno caratteristiche simili di produzione e rivelazione.
Esercizi
Esercizi
Esercizi
Democrito
L'ipotesi che la materia sia formata da atomi risale a Democrito (400 a.c.). Atomo, in greco, significa "non divisibile". L'idea atomistica fu però avversata da Aristotele che, successivamente, divenne il filosofo "ufficiale" della chiesa. Per questo motivo dobbiamo aspettare addirittura fino al 1800 perché gli scienziati riprendessero in considerazione l'ipotesi atomica.
Dalton (1808)
Nel 1808 John Dalton, riprendendo l’ipotesi di Democrito, afferma che la materia è costituita da miriadi di particelle piccolissime e indivisibili chiamate atomi. L’atomo di Dalton può essere perciò rappresentato da una sfera piena.
La nascita della fisica moderna
Struttura composita degli atomi teoria dei quanti
Faraday Stoney 1830 1874 quantità discrete di elettricità legate agli atomi
Thomson (1895)
Nel 1895 J.J. Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas, utilizzando tubi di Crookes, dimostrò l'esistenza dei raggi catodici.
Thomson (1897)
Nel 1897 J.J. Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas, utilizzando tubi di Crookes, dimostrò che i raggi emessi dal catodo (raggi catodici) erano particelle di carica negativa.
Modelli atomici
I modelli atomici storicamente più rilevanti:
Modello di Bohr 1913
Modello di Thomson 1897
Esperimento di Rutherford 1909
+ info
+ info
+ info
Thomson
Nel 1898 Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo. Egli immaginò che un atomo fosse costituito da una sferetta di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano stati ancora scoperti) in cui gli elettroni negativi (da poco scoperti) erano immersi.
Thomson
E’ la prima struttura atomica che tiene conto della carica elettrica. L’atomo è una minuscola sfera omogenea, dotata di carica positiva diffusa, entro cui sono incorporati gli elettroni in numero sufficiente da rendere nulla la carica totale
Tale modello è stato anche definito a panettone: la massa della pasta rappresenterebbe la carica positiva diffusa, mentre gli elettroni corrisponderebbero all’uvetta.
Da Thomson a Rutherford
Nel 1909 Rutherford fece un esperimento che mise alla prova il modello di Thomson. Bombardò un sottilissimo foglio di oro con raggi alfa (atomi di elio completamente ionizzati, ciò privati degli elettroni). L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non erano quasi mai deviati. Essi attraversavano il foglio di oro senza quasi mai esserne disturbati. Solo alcuni raggi alfa (1 %) erano deviati dal foglio di oro e lo erano in modo notevole (alcuni, addirittura, venivano completamente. respinti).
Il modello di Rutheford (1911)
Il modello di Rutheford (1911)
La carica positiva e quasi tutta la massa sono racchiuse nel nucleo centrale. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo come i pianeti instorno al Sole. Il nucleo è piccolisimo (10-15 m) in confronto al resto dell'atomo (10-10 m). L'atomo è praticamente vuoto.
Il modello di Rutheford (1911)
Sulla base di questo fondamentale esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata in una porzione molto piccola, il cosiddetto nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotano attorno così come i pianeti ruotano attorno al sole.
Il modello di Rutheford (1911)
Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relative enormi. Il modello di Rutherford ha però un grande "difetto" che lo mette in crisi. Secondo la teoria elettromagnetica una carica in movimento accelerato (non in moto rettilineo uniforme) emette onde elettromagnetiche e quindi perde energia. Per questo motivo, gli elettroni dell'atomo di Rutherford, perché ruotano su orbite circolari, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, cadere nel nucleo cosa che invece non accade, perché gli atomi sono oggetti molto stabili (la materia appare normalmente stabile).
Il modello di Bohr (1913)
Le leggi della fisica classica non erano sufficienti a spiegare le osservazioni sperimentali. Bohr intuì che si doveva ricorrere alle nuove ipotesi quantistiche elaborate da Plank ad inizio secolo. Ecco i suoi postulati: -un elettrone può muoversi solo lungo definite orbite circolari in succesione discreta, cioè non tutte le distanza sono permesse (quantizzazione delle orbite) -quando un elettrone percorre una data orbita, non irradia energia. Solo a seguito di una transizione da un'orbita ad un'altra si ha una variazione del contenuto energetico dell'atomo (quantizzazione dell'energia)
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