Teoria Atomica di Dalton

Teoria Atomica di Dalton
Il concetto moderno della materia
si origina nel 1806 con la teoria atomica
di John Dalton:
• Ogni elemento è composto di atomi.
• Gli atomi di un dato elemento
sono uguali.
• Gli atomi di elementi diversi sono differenti.
• Gli atomi non sono cambiati in atomi diversi in una
trasformazione chimica (reazione).
• I composti si formano quando atomi di due o più
elementi si combinano in una reazione.
Una Visione Microscopica della Materia
• Le sostanze pure sono composte da molecole aventi
un numero fisso di atomi legati per mezzo di legami
chimici.
• Le miscele consistono di un numero variabile di
atomi o molecole diversi.
La Struttura degli Atomi
Verso la metà del 1800 furono scoperte particelle
cariche negativamente (elettroni) usando tubi a raggi
catodici (Crookes).
L’Elettrone
• Il rapporto massa/carica
dell’elettrone fu misurato da
J.J. Thomson usando un tubo a
raggi catodici (1897).
L’Elettrone
• La carica di un elettrone (-1,6021773 x 10-19 C)
fu misurata in un famoso esperimento da Robert
Millikan (1911).
• La massa di un elettrone risulta essere circa 2000
volte più piccola di quella dell’atomo più leggero
(idrogeno).
• Dimostrazione dell’esistenza di particelle
subatomiche.
Il Modello Nucleare
L’esperimento di Rutherford con il foglio d’oro (1909)
provò che la gran parte della massa atomica è
confinata in un piccolissimo volume detto nucleo.
Il Modello Nucleare
L’esperimento di Rutherford con il foglio d’oro (1909)
provò che la gran parte della massa atomica è
confinata in un piccolissimo volume detto nucleo.
Protoni, Neutroni ed Elettroni
Due ulteriori particelle subatomiche furono scoperte
nei primi anni del 1900: protoni e neutroni.
Particella
(simbolo)
Carica assoluta
Massa assoluta
Protone
(p)
+1,6021773 x 10-19 C
+1
1,6726 x 10-24 g
Elettrone
(e)
-1,6021773 x 10-19 C
-1
9,109390 x 10-28 g
Neutrone
(n)
0
0
1,6749 x 10-24 g
Simboli Atomici
• Il numero atomico (Z) di un elemento è il numero di
protoni in un atomo.
• Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ma un
numero diverso di neutroni.
• Il numero di massa (A) di un isotopo è la somma dei
protoni e dei neutroni.
• Una stessa specie atomica ha di solito, diversi
isotopi che formano una miscela isotopica naturale.
Atomi
• Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni
e di protoni.
• Un atomo carico si dice ione ed ha un numero
diverso di elettroni e di protoni.
• Un atomo che ha un eccesso di elettroni (p < e)
è carico negativamente (anione).
• Un atomo che un difetto di elettroni (p > e)
è carico positivamente (catione).
La Struttura Elettronica dell’Atomo
• Le proprietà chimiche degli elementi dipendono
dalla posizione e dall’energia degli elettroni
(struttura elettronica).
• Per comprendere la struttura elettronica,
dovremo illustrare i concetti di:
1. Energia
2. Radiazione elettromagnetica
3. Teoria quantistica
4. L’atomo di idrogeno
5. Gli atomi polielettronici
La Teoria dell’Atomo di Bohr
• L’atomo di idrogeno
v
r
La Struttura Elettronica dell’Atomo
• Le proprietà chimiche degli elementi dipendono
dalla posizione e dall’energia degli elettroni
(struttura elettronica)
• Per comprendere la struttura elettronica,
dovremo illustrare i concetti di:
1. Energia
2. Radiazione elettromagnetica
3. Teoria quantistica
4. L’atomo di idrogeno
5. Gli atomi polielettronici
La Radiazione Elettromagnetica
• In fisica classica la luce è considerata come
consistere di un campo elettrico e un campo
magnetico oscillanti (natura ondulatoria della luce).
• L’intensità massima del campo è l’ampiezza.
• La distanza tra due massimi è la lunghezza d’onda,
λ (m)
La Radiazione Elettromagnetica
• Il numero di massimi che passano per un punto
in un secondo è la frequenza, [s-1, Hz]
• L’inverso della frequenza è il periodo, / [s]
• Ricorda: ; /
• La velocità della luce: / 3 x 108 m s-1
La Radiazione Elettromagnetica
1:
2:
•
•
•
•
A1 > A2
λ1 > λ2
c1 = c2
ν1 < ν2
Lo Spettro Elettromagnetico
La radiazione elettromagnetica ha diverse
denominazioni per diversi intervalli di lunghezze
d’onda.
La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria?
• Natura particellare della luce: Newton (1642-1727)
considerava la luce come un fascio di particelle,
capaci, ad esempio, di rimbalzare sulla superficie di
uno specchio.
• Natura ondulatoria della luce: nella prima metà del
XIX secolo fu dimostrata la natura ondulatoria della
luce, integrando l’ottica con la teoria
elettromagnetica di Maxwell e Boltzmann.
La Luce: Natura Corpuscolare o Ondulatoria?
• Effetto fotoelettrico: la luce incidente su una
superficie metallica provoca l’emissione di elettroni
dalla superficie stessa (fotoelettroni).
• Effetto fotoelettrico: l’effetto fotoelettrico fu
interpretato da Einstein, riprendendo la natura
particellare della luce ipotizzata da Newton; luce
intesa come fascio di fotoni.
Energia Associata alla Luce
• Effetto fotoelettrico: l’emissione di elettroni
dalla superficie metallica stessa avviene solo
se la frequenza della luce incidente è superiore
ad un certo valore soglia.
• Il valore soglia dipende solo dal tipo di superficie
metallica.
Energia Associata alla Luce
• Effetto fotoelettrico: il numero dei fotoelettroni
emessi è proporzionale all’intensità della luce.
Energia Associata alla Luce
• Effetto fotoelettrico: il numero dei fotoelettroni
emessi non dipende dalla frequenza della luce
Energia Associata alla Luce
• Effetto fotoelettrico: l’energia dei fotoelettroni
emessi è quantizzata, in pacchetti di energia pari a
hν, e quindi proporzionale alla frequenza della luce
incidente.
• Equazione di Planck-Einstein: Energia Associata alla Luce
•
Radiazione del corpo nero riscaldato: secondo la teoria
fisica classica della radiazione elettromagnetica
(Maxwell-Boltzmann), un corpo non può mai essere
completamente nero. Cioè non dovrebbe poter assorbire
tutta la luce incidente.
•
Se ciò fosse vero, un corpo nero dovrebbe emettere
radiazione (irraggiamento di calore) anche a temperatura
ambiente e non solo se riscaldato ad alte temperature.
Questo però contrasta con l’osservazione sperimentale.
•
Radiazione del corpo nero riscaldato: Planck riuscì a spiegare
l’osservazione postulando l’esistenza di quanti di energia,
cioè porzioni intere di energia ciascuna pari a hν, dove:
h = 6,63 x 10-34 J s = 6,63 x 10-34 Kg m2 s-1.
La Natura Dualistica della Luce
Per qualsiasi corpo in movimento:
La Natura Dualistica della Luce
• Nel mondo macroscopico, gli oggetti hanno una
massa grande e si muovono lentamente.
Esempio: palla da 1 kg che si muove a 6 m s-1:
• Nel mondo macroscopico, l’aspetto ondulatorio è
trascurabile perché le lunghezze d’onda associate ad
oggetti in movimento sono molto piccole rispetto
alle dimensioni dell’oggetto.
La Natura Dualistica della Luce
• Nel mondo microscopico, i fotoni hanno una massa
che dipende dalla lunghezza d’onda (e quindi
frequenza ed energia) ad essi associata:
La Natura Ondulatoria della Materia
• L’elettrone è una particella molto piccola, di massa
nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la
luce):
Interferenza di Elettroni
• Nel 1976 il CNR produsse un breve film che
documentava l'esperimento di interferenza
da elettroni singoli (l'esperimento più bello della
fisica, secondo un sondaggio promosso dalla rivista
Physics World nel 2002).
• Il film ottenne il premio nella sezione "Fisica" del
Settimo Festival Internazionale del Film Scientifico e
Tecnico, tenutosi a Bruxelles nel 1976.
http://www.bo.imm.cnr.it/users/lulli/downintel/index.html
Interferenza di Elettroni
La Natura Ondulatoria della Materia
• Quale è la lunghezza d’onda associata ad
un elettrone che ha = 3,00 x 107 m s-1?
• La lunghezza d’onda associata ad un
elettrone è dello stesso ordine di
grandezza delle dimensioni dell’atomo
che lo contiene.
La Struttura Elettronica dell’Atomo
• Le proprietà chimiche degli elementi dipendono
dalla posizione e dall’energia degli elettroni
(struttura elettronica)
• Per comprendere la struttura elettronica,
dovremo illustrare i concetti di:
1. Energia
2. Radiazione elettromagnetica
3. Teoria quantistica
4. L’atomo di idrogeno
5. Gli atomi polielettronici
La Teoria Quantistica
• Alcuni fenomeni fisici, quali l’emissione di frequenze
ben determinate di luce da idrogeno gassoso
riscaldato, implicano l’esistenza di quanti di energia.
La Teoria dell’Atomo di Bohr
• L’elettrone possiede solo determinati
stati stazionari di moto.
• In uno stato stazionario l’energia è costante.
• Passando da uno stato stazionario all’altro si ha
emissione o assorbimento di energia.
La Teoria dell’Atomo di Bohr
La Teoria dell’Atomo di Bohr
• Gli elettroni ruotano intorno al nucleo
su orbite definite:
Velocità = Raggio = Massa = • Sono permesse solo orbite per cui il momento
angolare è un multiplo intero di /.
• × /
• Da dove arriva questa equazione???
La Natura Ondulatoria della Materia
• L’elettrone è una particella molto piccola, di massa
nota, ma che presenta natura ondulatoria (come la
luce):
Onde e Interferenza
La Teoria dell’Atomo di Bohr
• Il postulato quantico di Bohr, cioè le condizioni per
l’esistenza di stati stazionari:
La circonferenza dell’orbita circolare dell’elettrone
deve essere un multiplo intero della lunghezza
dell’onda associata all’elettrone secondo
l’equazione di De Broglie, altrimenti l’onda avrebbe
interferenza distruttiva.
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La Teoria dell’Atomo di Bohr
Modello di Bohr dell’atomo di idrogeno:
Vedi documento “Atomo di Bohr.pdf” sul materiale didattico per la derivazione di queste equazioni
La Teoria dell’Atomo di Bohr
La Teoria Quantistica
• Alcuni fenomeni fisici, quali l’emissione di frequenze
ben determinate di luce da idrogeno gassoso
riscaldato, implicano l’esistenza di quanti di energia.