Thomas A. Edison

Thomas A. Edison

Radiazioni elettromagnetiche

Una radiazione elettromagnetica è una radiazione caratterizzata da un campo elettrico E e uno magnetico H perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propoagazione. La sua velocità nel vuoto è c = 2,9979·10⁸m/sec.

Rappresentazione di un’ onda elettromagnetica.

Sorgente

Direzione di propagazione Vettore

elettrico

Vettore magnetico

Grandezze caratteristiche di un’ onda elettromagnetica.

Lunghezza d’onda: rappresenta la distanza tra due minimi o due massimi (unità di lunghezza: m, cm, nm, Å, …)



Frequenza: =c/, rappresenta nell’unità di tempo il numero di vibrazioni di un’ onda di lunghezza d’onda  (unità di tempo^-1: sec^-1, Hz)



Ampiezza: rappresenta l’altezza di una cresta ed è indicativa dell’intensità dell’onda

A

Spettro delle radiazioni elettromagnetiche

Corpo nero

In ten sità

Lunghezza d’onda (m)

In ten sità

Lunghezza d’onda

Max Planck

In ten sità

Lunghezza d’onda

Max Planck

∆𝐸 = ℎ

In ten sità

Lunghezza d’onda

Max Planck

∆𝐸 = ℎ

ℎ = 6,62610 ⁻³⁴ 𝐽s

In ten sità

Lunghezza d’onda

Max Planck

∆𝐸 = 𝑛ℎ

ℎ = 6,62610 ⁻³⁴ 𝐽s

Effetto fotoelettrico

• Assorbimento

• Emissione spontanea

• Emissione stimolata

Albert Einstein

∆𝐸 = 𝑛ℎ

La conducibilità elettrica nei gas rarefatti

Tubo di Crookes. Raggi catodici e anodici.

5 ÷ 10 kV

alla pompa da vuoto

-

+

A C

I

T = ambiente - d.d.p. ~ 10

V

 P = 1 atm I = 0

5 ÷ 10 kV

alla pompa da vuoto

-

+

A C

I

T = ambiente - d.d.p. ~ 10

V

 P = 1 atm I = 0

 P ~ 1 torr I > 0 (bagliore emanato da tutta la massa gassosa)

5 ÷ 10 kV

alla pompa da vuoto

-

+

A C

I

T = ambiente - d.d.p. ~ 10

V

 P = 1 atm I = 0

 P ~ 1 torr I > 0 (bagliore emanato da tutta la massa gassosa)

 P ~ 10

atm I > 0 (debole luce fluorescente sulle pareti di fronte al catodo)

5 ÷ 10 kV

alla pompa da vuoto

-

+

A C

I

La scoperta dell’elettrone

Esperienza di Thomson

-

+

catodo

anodo

ZnS

-

+

E

a

H

) / ( 10 76 ,

2 1

2

C g

H E tg

m

q    

 a

raggi catodici particelle subatomiche cariche negativamente

(elettroni) di massa ~1800 volte più piccola

della massa dell’atomo d’idrogeno

Determinazione della carica dell’elettrone

Esperienza di Millikan

Iniettore

Telescopio

+

-

Sorgente raggi X Sorgente raggi X

Gocce di olio

Spruzzo di olio osservato

Sorgente raggi X

r mg 6 

v 

4

d 3

r m

 

r Eq mg



6

) v'  ( 

C n

ne

q      1 , 60  10

m, r.

Thomson aveva calcolato:

e/m= 1,76  10

C/Kg

da cui si dedusse: m= 9,11  10

Kg= 9,11  10

g

Un valore circa 1800 volte più piccolo della massa dell'idrogeno. Quasi tutta la massa atomica è, quindi, associata alla carica positiva (cioè, come vedremo, è concentrata nel nucleo)

Modello atomico di J. J. Thomson (1897)

Egli ipotizzò il suo modello:“Tutta la massa e la carica positiva sono distribuite uniformemente in una sfera di raggio  1Å (10

m). Gli elettroni sono distribuiti in questa sfera agendo da collante per le cariche positive, e sono in numero tale da rendere neutro l’atomo”

J. J. Thomson (1856-1940) Nobel 1906

Radioattività

Raggi alfa, beta e gamma.

Pierre & Marie Curie

Il nucleo atomico

Esperienza di Rutherford

Modello atomico di Rutherford (1911)

(Modello dinamico basato sulla meccanica newtoniana)

 tutta la carica positiva e quasi tutta la massa sono concentrate in un

“nucleo” di raggio ~10

Å. Atomo «vuoto»

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

 gli elettroni, in numero uguale alla carica nucleare, ruotano intorno al nucleo

Rappresentazione del modello di atomo che spiega l’esperimento di Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937)

Nobel 1908

Modello atomico di Rutherford (1911)

(Modello dinamico basato sulla meccanica newtoniana)

 tutta la carica positiva e quasi tutta la massa sono concentrate in un

“nucleo” di raggio ~10

Å. Atomo «vuoto»

 gli elettroni, in numero uguale alla carica nucleare, ruotano intorno al nucleo

Ernest Rutherford (1871-1937)

Nobel 1908

ma…..

Interazioni tra luce e materia

Un prisma è un oggetto in

grado di disperdere la luce

bianca nelle sue componenti

monocromatiche

Interazioni tra luce e materia

Spettro: insieme delle frequenze che compongono la radiazione analizzata dallo spettrometro

Spettro (continuo) della luce bianca

Interazioni tra luce e materia

Spettri atomici

Interazioni tra luce e materia

Spettro dell’idrogeno: eq. di Balmer-Ritz

costante di Rydberg (109678 cm^-1)

 





 



 

 2

2 2 1

_ 1 1

n n

R _H



n₁ e n₂ interi con n₁< n₂ R_H

   ¹

Modello atomico di Bohr (1913)

(Atomo di idrogeno)

1° postulato l’atomo si trova in uno stato stazionario che non irradia energia

2° postulato le orbite permesse all’elettrone di massa m e di velocità v, in ogni stato stazionario sono circolari e solo quelle aventi un raggio r tale da rendere il suo momento angolare mvr pari a un multiplo intero del quanto di momento angolare h/2 

3° postulato l’atomo può assorbire o irradiare energia solo quando passa da uno stato stazionario ad un altro



2 n h mv r 

Niels Bohr (1885-1962)

Nobel 1922

Modello atomico di Bohr

(Atomo di idrogeno)

 quantizzazione del raggio

2 2

2 2

2 2 2 2 2

2 2 2

2 2

'

4 me

n h me

r v m e

r r mv

r m v r

F e

F

 





 



 



   

2 2

2 2

4 me n h

r ^  (n=1, 2, 3, … numero quantico principale)

Modello atomico di Bohr

(Atomo di idrogeno)

 quantizzazione dell’energia

E V T e

r mv

e

r m v

r mv e

r

E e

r

e r

e r

e

n h

me

me n h

    

  





 

 





 

 

         

2

2

2 2

2

2

2

2 2 2 2

2

2

2 2

2 4

2 2

1 2 1

2 2

2 2

2 4

2





2 0 2

2

4

2

1

2 E

n h

n

E

   me  

Modello atomico di Bohr

(Atomo di idrogeno)

 quantizzazione dell’energia

E V T e

r mv

e

r m v

r mv e

r

E e

r

e r

e r

e

n h

me

me n h

    

  





 

 





 

 

         

2

2

2 2

2

2

2

2 2 2 2

2

2

2 2

2 4

2 2

1 2 1

2 2

2 2

2 4

2





2 0 2

2

4

2

1

2 E

n h

n

E

   me  

𝐸 ₀ = 13,605 𝑒𝑉

Modello atomico di Bohr

(Atomo di idrogeno)

 quantizzazione dell’energia

E V T e

r mv

e

r m v

r mv e

r

E e

r

e r

e r

e

n h

me

me n h

    

  





 

 





 

 

         

2

2

2 2

2

2

2

2 2 2 2

2

2

2 2

2 4

2 2

1 2 1

2 2

2 2

2 4

2





2 0 2

2

4

2

1

2 E

n h

n

E

   me  

𝐸 ₀ = 13,605 𝑒𝑉

1 𝑒𝑉 = 1,60 ∙ 10 ⁻¹⁹ 𝐽

Modello atomico di Bohr

E

0 ^n=

E₁= -₀ n=1

(n=1), E₁ r₁

E₂= -1/4 ₀ n=2

(n=2), E₂ 4r₁=r₂

E₃= -1/9 0 n=3

(n=3), E₃ 9r₁=r₃

E₄= -1/16 ₀ n=4

(n=4), E₄ 16r₁=r₄

Serie di Lyman (lontano UV) Serie di Balmer

(UV-VIS)

E_2-1= E₂– E₁

E_3-1= E₃– E₁

E_4-1= E₄– E₁

E2-1

E3-1

E3-1



E   h 

Modello atomico di Bohr

 





 



 

 2

2 2 1

_ 1 1

n n

R _H



2 0 2

2

4

2

1

2 E

n h

n

E

   me  



 E h

n E n

n E n

E

E  



 



 

 



 



  







2 2

1 2 0

1 2

2 1

2

1 1

1 1

   ¹



  



c   c 

2 0 2 2

1

1

1 E

n

hc n 



 



 

 

hc E n

n

0 2

2 2

1

1 1 



 



 

 

Modello atomico di Bohr

Spettro di emissione

E = hc/

n = 5 = 4 = 3 = 2 = 1

Questa transizione

non è possibile

Limiti del modello atomico di Bohr

 incapacità di interpretare i risultati spettroscopici di atomi polielettronici

 incapacità di offrire qualsiasi base teorica per interpretare le proprietà direzionali dei legami chimici

 intrinseca contraddizione (si postula che l’elettrone non ubbidisce alle leggi della fisica classica e si usano proprio queste leggi per definire il raggio delle orbite e l’energia del sistema)

Il modello di Bohr, per quanto stimolante,

ha delle limitazioni:

Estensione del modello atomico di Bohr

numeri quantici l ed m

Le orbite descritte dal moto dell’elettrone intorno al nucleo sono ellittiche, con una eccentricità quantizzata (Sommerfeld: numero quantico l) e assumono orientazioni nello spazio quantizzate (effetto Zeeman: numero quantico m)

n=1, 2, 3, … numero quantico principale

l=0, 1, … (n-1) numero quantico secondario

m=0, 1, …  l numero quantico magnetico

Estensione del modello atomico di Bohr

il numero quantico l

Le orbite descritte dal moto dell’elettrone intorno al nucleo sono ellittiche, con una eccentricità quantizzata

n =1, 2, 3, … numero quantico principale

l = 0, 1, … (n-1) numero quantico secondario

a

b =

n

l 1 

Estensione del modello atomico di Bohr

il numero quantico m

Le orbite descritte dal moto dell’elettrone intorno al nucleo assumono orientazioni nello spazio quantizzate (effetto Zeeman: numero quantico m)

L’orientazione del vettore momento angolare non può coincidere con una delle infinite posizioni nell’arco dei 180 gradi intorno al campo magnetico applicato ma deve essere quantizzata secondo la:

ove φ è l’angolo che il momento angolare forma con la direzione positiva del campo magnetico, l il numero quantico secondario dell’orbita ed mil terzo numeroquantico, detto magnetico, che deve, ovviamente, assumere solo valori interi.

𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑚

𝑙

Estensione del modello atomico di Bohr

il numero quantico m

Le orbite descritte dal moto dell’elettrone intorno al nucleo assumono orientazioni nello spazio quantizzate (effetto Zeeman: numero quantico m)

m=0, 1, …  l numero quantico magnetico

−1 ≤ 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑚

𝑙 ≤ +1

Estensione del modello atomico di Bohr

numeri quantici l ed m

Le orbite descritte dal moto dell’elettrone intorno al nucleo sono ellittiche, con una eccentricità quantizzata (Sommerfeld: numero quantico l) e assumono orientazioni nello spazio quantizzate (effetto Zeeman: numero quantico m)

n=1, 2, 3, … numero quantico principale

l=0, 1, … (n-1) numero quantico secondario

m=0, 1, …  l numero quantico magnetico