la natura della luce

I primi modelli di atomo non erano efficaci perché alla lunga gli elettroni dovrebbero perdere
energia cinetica, rallentare, cadere sul nucleo e quindi la materia dovrebbe distruggersi.
Nella realtà gli atomi sono stabili e tutto ciò non accade.
Ciò significa che gli elettroni all’interno dell’atomo non possono essere descritti con le leggi della
fisica classica.
Il comportamento degli elettroni viene spiegato dalla meccanica quantistica, una teoria elaborata nei
primi 30 anni del 900.
Tali leggi sono state sviluppate, partendo da una serie di esperimenti, mediante i quali gli atomi
venivano indotti, con il calore o con le scariche elettriche, a emettere luce.
LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
La luce è una radiazione che si propaga nel vuoto a velocità elevatissima ed è energia emessa da
una sorgente sotto forma di onde o particelle in movimento.
Nella seconda meta dell’ottocento J.C. Maxwell ( 1831-1879) scoprì che le radiazioni luminose
sono radiazioni elettromagnetiche, generate da cariche elettriche in rapidissima oscillazione; esse
inoltre hanno la stessa natura dei raggi X, dei raggi ultravioletti, delle onde radio e delle microonde.
Sono onde elettromagnetiche caratterizzate da 4 parametri ampiezza, lunghezza d’onda, frequenza,
velocità.
L’insieme delle radiazioni elettromagnetiche ordinate in base alla lunghezza d’onda e alla frequenza
costituisce lo spettro elettromagnetico.
L’occhio umano riesce a percepire solo una banda molto ristretta di lunghezze d’onda, in un
intervallo compreso fra circa 400 nm e circa 700 nm , detto spettro visibile.
Le radiazioni elettromagnetiche trasportano energia e la trasmettono ai corpi con cui vengono a
contatto.
Quando interagiscono con la materia si manifesta un aspetto della loro natura, che fu scoperto nel
1900 da Max Planck , che disse: l’energia delle radiazioni elettromagnetiche può essere assorbita o
emessa dalla materia solo sotto forma di minuscoli pacchetti o quanti di energia che furono chiamati
fotoni.
Ogni fotone viaggia alla velocità della luce e possiede una quantità definita di energia chiamata
quanto la cui energia può essere calcolata con la legge di Planck
Energia di un fotone = E = hv
Questa equazione ci dice che l’energia della radiazione non si trasferisce come un flusso continuo
ma sotto forma di pacchetti, cioè secondo multipli interi, quindi la luce ha natura corpuscolare.
La legge collega tra loro le 2 descrizioni della radiazione elettromagnetica:la parte sinistra si
riferisce ad una proprietà delle particelle, la parte destra esprime una proprietà delle onde, la
frequenza.
Riunisce insomma le 2 interpretazioni del comportamento della luce, corpuscolare e ondulatorio.
L’energia dei fotoni non dipende dall’intensità della sorgente ma dalla frequenza delle radiazioni
che produce.
Il dualismo della luce è il fondamento della teoria dei quanti
GLI SPETTRI DI EMISSIONE DEGLI ELEMENTI
Anche l’energia degli elettroni è quantizzata, gli elementi se sottoposti a scarica elettrica o
riscaldamento emettono luce.
Gli atomi assorbono l’energia ricevuta e la riemettono sotto forma di fotoni, generando radiazioni
elettromagnetiche.
Quando un sottile fascio di questa luce attraversa un prisma, non si ottiene uno spettro continuo,
come nel caso della luce bianca, ma discontinuo o spettro a righe,nel quale si osservano solo alcuni
colori distribuiti in una serie di righe spettrali colorate.
Ciascun’elemento ha un suo spettro di emissione caratteristico.
Le radiazioni che compaiono nello spettro di un elemento sono emesse dagli atomi eccitati con una
certa frequenza e una precisa energia.
Quindi gli atomi vengono eccitati, possono emettere solo specifiche quantità di energia,
corrispondenti ai fotoni delle radiazioni che compaiono nel loro spettro.
In pratica all’interno dell’atomo possono avvenire solo variazioni di energia definita che non
assume valori qualsiasi.
L’elettrone è vincolato ad alcuni livelli energetici e l’energia dell’elettrone è
quantizzata.
L’elettrone puo assumere soltanto energie corrispondenti ai vari livelli energetici
Niels Bohr (1885-1962) capì che gli spettri davano informazioni fondamentali sulla disposizione
degli elettroni negli atomi, in un atomo l’elettrone puo assumere solo alcuni valori specifici di
energia e non altri.
L’elettrone puo percorrere solo alcune orbite, ciascuna delle quali è caratterizzata da un preciso
livello energetico.
Puo saltare da un orbita all’altra, cosi facendo assorbe o emette fotoni di energia pari al salto
effettuato.
IL MODELLO DI BOHR DELL’ATOMO DI IDROGENO
L’elettrone si muove attorno al nucleo secondo una traiettoria fissa come un pianeta attorno al sole.
Diversamente da quanto accade per i pianeti l’elettrone puo percorrere solo alcune orbite dette
stazionarie di raggio definito, quando le percorre non assorbe e non emette energia.
Ogni orbita corrisponde a un certo livello energetico, piu è piccola, minore è il livello dell’elettrone.
In condizioni naturali, l’elettrone occupa l’orbita stazionaria piu vicina al nucleo, chiamata stato
fondamentale.
Se un atomo d’idrogeno assorbe energia, passa da un orbita con n=1 a una più esterna con n=2 o 3.
Le orbite più distanti dal nucleo sono meno stabili e l’elettrone tende a tornare nell’orbita più
interna emettendo radiazione elettromagnetica, l’energia di un elettrone in una certa orbita ha un
valore fisso, i salti da orbite diverse producono sempre la stessa quantità d’energia con la stessa
frequenza.
Il modello atomico di Bohr ebbe pieno successo nel giustificare le righe dello spettro di emissione
dell’idrogeno, ma non fu efficace per spiegare gli spettri degli altri atomi.
La fisica classica è inadeguata perché la materia non è in realtà quella percepita dai nostri sensi.
Gli elettroni non si comportano solo come particelle ma anche come onde, questa intuizione fu
proposta nel 1924 da de Broglie che disse che ad ogni corpo in movimento è associata un onda di
materia con una propria lunghezza d’onda.
Quando si studia la struttura atomica, non ha senso parlare di orbita di elettroni ma è necessario
sviluppare un modello del tutto diverso, l’elettrone si comporta come una particella in un certo tipo
di esperimenti e come un onda se si studia la diffrazione o l’effetto fotoelettrico, questo non è
paragonabile a niente nella nostra esperienza quotidiana, ma nel 1927 Heisenberg dimostrò
matematicamente che è impossibile misurare simultaneamente la velocità e la posizione di una
particella con assoluta precisione, è necessario colpirlo con un'altra particella, ma il tentativo stesso
di misurare altererebbe la posizione e la velocità dell’elettrone , rendendo quindi impossibile la
determinazione della velocità e della posizione.
Questo è noto come principio di indeterminazione.
Queste limitazioni non riguardano gli oggetti macroscopici, ma solo le particelle minuscole come
gli elettroni , questo ci costringe a descriverne il comportamento in un determinato istante solo in
termini di probabilità .