struttura atomica Flashcards
4 pilastri della meccanica quantistica
doppia natura delle radiazioni elettromagnetiche
la natura ondulatoria di elettroni e materia
la quantizzazione dell’energia
il principio di indeterminazione di heisenberg
radiazione elettromagnetica ci permette
di trasmettere energia nel vuoto o in un mezzo fisico
la radiazione elettromagnetica secondo la fisica classica
composta da un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolari e con un andamento sinusoidale, in cui la grandezza si comporta come un’onda. inoltre, sono in fase, raggiungono il massimo e il minimo nello stesso momento. la direzione è quella perpendicolare ai due piani
le grandezze delle radiazioni elettromagnetiche
lunghezza d’onda
frequenza
ampiezza
velocità di propagazione
intensità
tipi di onde elettromagnetiche
raggi gamma
raggi x
ultravioletti
luce visibile
infrarossi
microonde
onde radio
radiazione policromatica
radiazioni costituite dall’insieme di onde con frequenze e lunghezze d’onda diverse
radiazione monocromatica
radiazione costituita da onde con stessa frequenza e lunghezza d’onda
rifrazione
fenomeno che permette di separare le onde policromatiche. passando dal vuoto ad un materiale, la velocità di propagazione di ogni onda varia in base a frequenza e lunghezza d’onda, le onde si muovono in modo differente e si separano
come scoperto da Newton, la luce bianca passando da un prisma trasparente si divide in una serie di colori compresi tra il rosso e il violetto
velocità di propagazione nel vuoto
2,99 * 10^8 m/s
primo fenomeno contro la fisica classica
radiazione del corpo nero
scaldando un oggetto sotto la temperatura di fusione, esso diventa incandescente ed emette energia
lo spettro di emissione indica l’insieme di radiazioni emesse
i corpi incandescenti non emettono onde ultraviolette
quanti di energia
la radiazione del corpo rigido è spiegabile solo se consideriamo l’energia come quantizzata. gli atomi possono assumere o donare energia solo come multipli di una quantità indefinita detto quanto di energia
equazione di plank
h * f
valore di h
6,63 * 10 ^-34 J*s
onde con elevata frequenza trasportano una quantità elevata di energia
secondo fenomeno contro la fisica classica
effetto fotoelettrico
quando una lamina metallica viene colpita da un’onda con una lunghezza d’onda opportuna, emette degli elettroni
collegando la lamina ad un circuito, esso si chiude quando le onde colpiscono la lamina
osservazioni sull’effetto fotoelettrico
- avviene solo quando la frequenza della radiazione supera un valore di soglia
- l’emissione di lettroni dipende dall’intensità della radiazione
- l’energia cinetica dipende dalla frequenza, se la frequenza non supera una certa soglia, il fenomeno non avviene
Einstein e la fisica classica
Nel 1905 Einstein conclude che l’onda ha una natura corpuscolare e che le onde sono quantizzate e costituite da piccole particelle chiamate fotoni con un energia che dipende dall’equazione di Plank
la radiazione elettromagnetica può essere descritta come un’onda o come un fascio di particelle
De Broglie
nel 1925 De Broglie dimostra che anche la materia possiede una doppia natura, ogni corpo possiede un’onda la cui lunghezza dipende dalla massa e dalla velocità del corpo
nasce la meccanica quantistica, non utilizzabile per il mondo macroscopico
equazione di De Broglie
lunghezza d’onda = h / (m*v)
conseguenze dell’equazione di De Broglie
materia ed energia non sono distinte
l’energia è una forma di materia
la materia possiede sempre le stesse proprietà, ondulatorie e corpuscolari
per gli oggetti macroscopici prevalgolo le proprietà corupscolari, per oggetti molto piccoli come fotoni le proprietà ondulatorie. per gli atomi, di dimensioni medie, entrambe le proprietà
spiega il fenomeno dei saggi alla fiamma
il fenomeno si basa sul fatto che gli atomi di alcuni elementi, se riscaldati emettono energia sottoforma di calore o di radiazione elettromagnetica.
in particolare, quando ricevono energia gli atomi si eccitano e gli elettroni passano dallo stato fondamentale allo stato eccitato. quando l’energia non viene fornita, l’atomo la rilascia sottoforma di calore o radiazioni e torna allo stato fondamentale.
sottoponendo le radiazioni emesse a rifrazione, è possibile osservare le varie onde che compongono a radiazione policromatica e quindi quali onde vengono emesse dall’atomo, grazie all’osservazione dello spettro di emissione, uno spettro a righe caratteristico di ogni elemento.
l’energia degli elettroni è quantizzata
ogni elemento ha uno specifico spettro di emissione e può emettere solo radiazioni con frequenza definita. per questo, l’energia è quantizzata.
l’energia di un qualsiasi atomo non è continua ma quantizzata, cioè caratterizzata da una serie discotinua di salti, detti livelli energetici.
misurando la frequenza delle onde dello spettro a righe, possiamo calcolare l’energia dei livelli che l’elettrone può occupare
gli elettroni in un atomo non possono occupare livelli casuali ma ben definiti
quando è stato studiato lo spettro di emissione dell’idrogeno
a metà 800 da Balmer e Rydberg, analizzando le lunghezze d’onda si rese conto che era possibile calcolarle con un’equazione
equazione di Balmer - Rydberg
frequenza = R (costante di Rydberg) * (1/n1^2 - 1/n2^2) (numeri interi piccoli con n1 < n2)
costante di Rydberg
3,29 * 10 ^ 25 Hz
spettro di assorbimento
spettro visibile della luce bianca senza le frequenze che un atomo è in grado si assorbire.
quando un fascio di luce colpisce atomi di idrogeno, essi assorbono le radiazioni con energia proporzionale a quella del salto energetico tra lo stato fondamentale e quello eccitato.
postulati dell’atomo di Bohr
1913
- l’elettrone si muove attorno al nucleo seguendo orbite circolati per cui la forza di attrazione tra elettrone e nucleo è bilanciata dalla forza centrifuga
- sono permesse orbite circolari con un momento angolare pari a multimi interi di una quantità h/2pi
- l’energia di un elettrone è costante, e le orbite sono stati stazionari. il moto non è spiraliforme come indicato dalla fisica classisica
- quando un elettrone passa da un’orbita all’altra si osserva l’emissione o l’assorbimento di quantità fisse di energia
ad ogni valore di raggio ed energia corrisponde un solo valore n, detto numero quantico principale
previsioni quantitative del modello di Bohr
- raggio degli stati stazionari,
0,53 Armstrong * n^2 - l’energia di ogni stato stazionario
-2,178 * 10^-18 * 1/n^2
quando n aumenta Bohr
- aumenta il raggio orbitalico
- aumenta l’energia associata agli elettroni, diminuisce in valore assoluto
- la separazione energetica tra due stati adiacenti è più piccola
quindi:
1. lo stato ad energia minore è quello che corrisponde a n=1
2. al crescere di n, ci si allontana dal nucleo e le forze di attrazione tra elettrone e nucleo diminuiscono. ad una lunghezza infinita, l’energia è 0
differenza di energia tra gli stati stazionari formula
-2,178 * 10^-18 * (1/nf^2 - 1/ni^2)
il numero di stati stazionari è
limitato, dipende dal numero n, ed è per questo che si forma uno spettro a righe, solo determinati salti possono avvenire
quali sono le serie sull’atomo di idrogeno e a che livello energetico arrivano
- serie di Layman (1)
- serie di Balmer (2)
- serie di Paschen (3)
4- Brackett (4) - serie di Pfund (5)
atomi polielettronici Bohr
il modello di Bohr non è in grado di spiegare il comportamento degli orbitali polielettronici.
Sommerfield modifica il modello di Bohr. nel suo modello, gli elettroni ocupano orbite ellittiche la cui energia segue l’equazione di Bohr.
per ogni valore di n, varia il numero di orbite.
inserisce il numero quantico azimutale L, che indica la forma dell’orbita, 0 < l < n-1, e il numero quantico Ml, che indica l’orientazione nello spazio, -l < Ml < l
il principio di indeterminazione di
Heisember, a soli 27 anni, pubblicò il suo principio di indeterminazione, secondo il quale
il prodotto degli errori associati al alla determinazione contemporanea di posione e quantità di moto di un corpo in movimento è superiore a h/4pi
non importante a livello macroscopico
ma a livello micro, non possiamo calcolare contemporaneamente posizione e quantità di moto (associata alla velocità e all’energia)
conoscendo l’energia degli elettroni, non possiamo conoscerne la posizione, ma solo calcolare la probabilità di trovare un elettrone in una zona dello spazio
ma approccio deterministico a approccio probabilistico.
