ATOMI E PARTICELLE SUBATOMICHE - Progetto e
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01/10/2015 ATOMI E PARTICELLE SUBATOMICHE ELETTRICITÀ DELL’ATOMO ESISTONO DUE TIPI DI CARICHE ELETTRICHE, DENOMINATE CONVENZIONALMENTE NEGATIVA E POSITIVA CARICHE DI SEGNO UGUALE SI RESPINGONO, MENTRE CARICHE DI SEGNO OPPOSTO SI ATTRAGGONO LE CARICHE ELETTRICHE POSSONO PASSARE DA UN CORPO AD UN ALTRO UN CORPO È ELETTRICAMENTE NEUTRO QUANDO POSSIEDE UGUAL NUMERO DI CARICHE POSITIVE E NEGATIVE L’ELETTRONE W. CROOKES (1832-1919) CATODO ANODO - + MASSA = 9,1110-31kg CARICA = -1,60 10-19C 1 01/10/2015 IL PROTONE GOLDSTEIN VERIFICA L’ESISTENZA DELLE CARICHE POSITIVE CATODO RILEVATORE ANODO - + MASSA PROTONE 1,6726 • 10-27kg MASSA PROTONE = 1836 MASSA ELETTRONE! CARICA PROTONE = 1,60 10-19C IL NEUTRONE VALORE DELLA MASSA DI UN ATOMO ESPRESSO È MAGGIORE DELLA SOMMA DELLE MASSE DEI PROTONI E DELL’ELETTRONE ATOMO DI OSSIGENO HA MASSA 16, 17, 18 uma J. CHADWICK (1932) SCOPRE IL NEUTRONE: PARTICELLA PRIVA DI CARICA E MASSA PARI AD 1,6710-27kg (1 uma) NUMERO ATOMICO NUMERO DI MASSA ATOMI DELLO STESSO ELEMENTO, IN CONDIZIONI NORMALI, POSSIEDONO LO STESSO NUMERO DI PROTONI E DI ELETTRONI NUMERO ATOMICO (Z)=NUMERO DI PROTONI PRESENTI NEL NUCLEO DI UN ATOMO NUMERO DI MASSA (A)=NUMERO DI PROTONI+NUMERO DI NEUTRONI A Z X 2 01/10/2015 GLI ISOTOPI ISOTOPI=ATOMI DEL MEDESIMO ELEMENTO CHE POSSIEDONO STESSO NUMERO DI ELETTRONI E PROTONI, MA DIFFERENTE NUMERO DI NEUTRONI UNITÀ DI MASSA ATOMICA (uma) 1uma 1 M 12C 12 MASSA PROTONE = 1 uma MASSA ELETTRONE = 1/1836 uma MASSA NEUTRONE = 1 uma MODELLI FINO A RUTHERFORD-BOHR 3 01/10/2015 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE SPETTRO ELETTROMAGNETICO 4 01/10/2015 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE ENERGIA DI UNA ONDA LUMINOSA QUANTIZZAZIONE ENERGIA 5 01/10/2015 ONDA-PARTICELLA L. DE BROGLIE (1924) hν E ν c λ h λ mv h mv λ MOMENTO DI UN FOTONE MOMENTO DI UNA PARTICELLA PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Principio di indeterminazione di Heisenberg • Si consideri una vettura (1000 kg) che si muove a 30 m/s (circa 110 km/h) e assumendo un errore sulle misure di 1/106: • p = m x v = 1000 x 3.10-5 ms-1 = 3.10-2 ms• da cui x = 1.76 10-33 m!! 6 01/10/2015 Principio di indeterminazione di Heisenberg • Si consideri un elettrone (10-31 kg) che si muova anch’esso a 30 m/s (circa 110 km/h) e assumendo un errore sulle misure di 1/106: • p = m x v = 10-31 x 3.10-5 ms-1 = 3.10-36 ms-1 • da cui x = 1.76 101 m !! Accertata l’impossibilità di determinare sperimentalmente le proprietà dell’elettrone, si è deciso di determinare la • PROBABILITA’ di trovare un elettrone in una area definita intorno al nucleo. L’elettrone viene trattato come un’onda di materia EQUAZIONE DI SCHROEDINGER Ad ogni elettrone corrisponde una funzione d’onda che dipende dal suo livello energetico. (2X ,Y , Z ) dv Probabilità di trovare l’elettrone nel volume dv NUMERI QUANTICI Il numero quantico principale n (enne) riguarda la quantizzazione della energia totale Etot (corrisponde cioè ai livelli di energia indicati nello schema energetico del modello) e può assumere i valori n=0,1,2,... Il numero quantico secondario o azimutale l (elle) è relativo al momento angolare e può assumere valori condizionati dal valore di n: l=0,1,2,...,(n-1) 7 01/10/2015 NUMERO QUANTICO MAGNETICO Il numero quantico magnetico m (emme) è relativo alla quantizzazione "spaziale" del momento angolare, che può assumere, cioè, solo certe orientazioni rispetto ad una definita direzione; la direzione viene definita solo in presenza di un campo elettrico o magnetico che orienti il vettore. Il campo può essere esterno, imposto da noi, oppure dovuto alla vicinanza di altri atomi o molecole. m= -l, -l+1, ...-1, 0, 1, ...l-1, l Orbitali Atomici per l = 0 s per l = 1 p per l = 2 d per l = 3 f Potremo avere perciò, per esempio, gli orbitali 2p (con n=2 e l=1) 3s (con n=3 e l=0) 5f (con n=5 e l=3) n 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 l 0 0 1 1 1 0 1 1 1 2 2 2 2 2 0 1 1 1 m 0 0 0 1 -1 0 0 1 -1 0 1 -1 2 -2 0 0 1 -1 simbolo: s 1s 2s simbolo: p simbolo: d 2pz 2px 2py 3s 3pz 3px 3py 3dz2 3dxz 3dyz 3dxy 3dx2-y2 4s 4pz 4px 4py 8 01/10/2015 ORBITALE s ORBITALE s ORBITALI px, py pz 9 01/10/2015 ORBITALI d dz2 dx2-y2 dxz dyz dxy NUMERO QUANTICO DI SPIN ms ms= ± 1/2 La tendenza generale delle particelle è di associarsi fra loro con spin antiparalleli: AUFBAU E PERIODICITÀ Principio di minima energia: ogni elettrone occupa l'orbitale disponibile a energia più bassa. Principio di Pauli: in un atomo non possono esistere 2 elettroni con i 4 numeri quantici eguali; perciò, nello stesso orbitale, possono esserci 2 soli elettroni purché con ms, momento di spin, diverso; gli spin dei due elettroni devono essere perciò antiparalleli, dato che, essendo nello stesso orbitale, gli elettroni hanno gli altri 3 numeri quantici n, l, m, eguali. Regola di Hund o della massima molteplicità: se due o più elettroni occupano orbitali degeneri (cioè a eguale energia), gli elettroni occupano il maggior numero possibile di questi orbitali, e a spin paralleli . 10 01/10/2015 ENERGIA DEGLI ORBITALI 11 01/10/2015 Blocco s Blocco p s Blocco d Blocco f RAPPRESENTAZIONI CROMO E RAME SI DOVREBBE OTTENERE: Cr Cu [Ar]3d44s2 [Ar]3d94s2 INVECE LE CONFIGURAZIONI REALI SONO: Cr Cu [Ar]3d54s1 [Ar]3d104s1 12 01/10/2015 ENERGIA DI IONIZZAZIONE AFFINITÀ ELETTRONICA RAGGIO ATOMICO ENERGIA DI IONIZZAZIONE, AFFINITÀ ELETTRONICA RAGGIO ATOMICO ENERGIA DI IONIZZAZIONE, AFFINITÀ ELETTRONICA F = -328 kJ/mol; Be = 0; i non metalli formano anioni molto più stabili dei metalli! 13 01/10/2015 FINE RAGGIO ATOMICO NATURA ELETTRICA DELLA MATERIA A. VOLTA (1745-1827) DIMOSTRA CHE DA REAZIONI CHIMICHE SI OTTIENE CORRENTE ELETTRICA W. NICHOLSON (1753-1815) A. CARLISLE (1768-1840) DIMOSTRARONO CHE SI PUÒ PROVOCARE UNA REAZIONE CHIMICA ATTRAVERSO IL PASSAGGIO DI CORRENTE ELETTRICA 14 01/10/2015 CARATTERISTICHE DELL’ELETTRONE • L’EMISSIONE DI RAGGI CATODICI È UNA PROPRIETÀ DELLA MATERIA. È INDIPENDENTE DAL MATERIALE CON CUI È COSTITUITO IL CATODO E IL GAS CONTENUTO NEL TUBO • I RAGGI CATODICI HANNO NATURA CORPUSCOLARE • I RAGGI CATODICI HANNO UNA TRAIETTORIA LINEARE • LA TRAIETTORIA PUÒ ESSERE DEVIATA DALL’AZIONE DI UN CAMPO ELETTRICO E/O MAGNETICO MASSA = 9,1110-31kg CARICA = -1,60 10-19C CARATTERISTICHE DEL PROTONE PARTICELLE CON CARICA POSITIVA LA MASSA DIPENDE DAL GAS CONTENUTO NEL TUBO, SE IL GAS È L’IDROGENO, LA MASSA ASSUME IL VALORE PIÙ PICCOLO MASSA = 1,6710-27kg CARICA = +1,60 10-19C RADIOATTIVITÀ NATURALE H. BECQUEREL (1852-1909) SCOPRE CHE L’ URANIO EMETTE SPONTANEAMENTE RADIAZIONI 15 01/10/2015 TIPI DI RADIAZIONI RAGGI a: HANNO UNA CARICA POSITIVA DOPPIA RISPETTO A QUELLA DEL PROTONE, E UNA MASSA DI CIRCA 7000 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA DELL’ELETTRONE RAGGI b: SONO COSTITUITI DA ELETTRONI RAGGI g: SONO RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE, PRIVE DI CARICA SPETTRI DI EMISSIONE SPETTRO CONTINUO vs. SPETTRO IDROGENO 16 01/10/2015 ORBITALI dx2-y2 E dxy 17
