Parte 2 (Corpo nero-righe spettrali dell'idrogeno)

• Breve riepilogo

• Corpo nero
• Righe spettrali idrogeno
• Esercizi
• Modelli atomici

Terza lezione: 19-11-2024

Fluorescenza e fosforescenza

Teoria atomica di Bohr

Spettro dei raggi X

Le serie spettrali dell'idrogeno

Effetto fotoelettrico

Spettri di emissione

SPETTROSCOPIA (15 ORE)Indice

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 spettroscopia

Questo dualismo onda-particella è il fondamento della teoria dei quanti.

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

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).

Nella Spettroscopia Atomica di Emissione, un atomo emette un fotone dopo essere stato portato ad uno stato eccitato fornendogli energia termica

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.

Spettro di emissione

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.

La spettroscopia atomica

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.

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).

Il corpo nero-Kirchhoff (1860)

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.

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.

Il corpo nero-Kirchhoff (1860)

Il corpo nero è l'oggetto che emette e assorbe più efficacemente lungo tutto lo spettro.

La spettroscopia del corpo nero

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.

Per Planck dunque gli scambi di energia radiazione-materia sono discreti e quantizzati E = hν

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 ).

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 corpo nero-la teoria di Planck

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.

La teoria di Planck: le ipotesi in sintesi

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

n=3

m=2

Le serie spettrali dell'idrogeno

Le serie spettrali dell'idrogeno

Per gli altri atomi la situazione è più complessa.

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

Le serie spettrali dell'idrogeno

Lo spettro elettromagnetico viene suddiviso in zone che comprendono le componenti che hanno caratteristiche simili di produzione e rivelazione.

LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Esercizi

Esercizi

Esercizi

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.

Democrito

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.

Dalton (1808)

Faraday Stoney 1830 1874 quantità discrete di elettricità legate agli atomi

Struttura composita degli atomi teoria dei quanti

La nascita della fisica moderna

Nel 1895 J.J. Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas, utilizzando tubi di Crookes, dimostrò l'esistenza dei raggi catodici.

Thomson (1895)

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.

Thomson (1897)

Modello di Bohr 1913

Esperimento di Rutherford 1909

Modello di Thomson 1897

I modelli atomici storicamente più rilevanti:

Modelli atomici

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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

Tale modello è stato anche definito a panettone: la massa della pasta rappresenterebbe la carica positiva diffusa, mentre gli elettroni corrisponderebbero all’uvetta.

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

Thomson

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).

Da Thomson a Rutherford

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)

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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