onde elettromagnetiche onde elettromagnetiche

ONDE ELETTROMAGNETICHE
ONDE
ELETTROMAGNETICHE
campo
elettrico
UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA
CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;
QUANDO ESSE SI MUOVONO,
GENERANO UN CAMPO MAGNETICO
+
corrente
VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICO
VARIABILE NEL TEMPO GENERA UN
CAMPO ELETTRICO
campo
magnetico
• QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO
LA LORO COESISTENZA DA’ ORIGINE AD UN
CAMPO ELETTROMAGNETICO
• UNA CARICA ELETTRICA IN MOTO EMETTE O ASSORBE ONDE
ELETTROMAGNETICHE QUANDO E’ SOGGETTA AD ACCELERAZIONI
ONDE
ELETTROMAGNETICHE
LE PROPRIETA' DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE E
DELLA LORO PROPAGAZIONE SONO SINTETIZZATE
NELLE EQUAZIONI DI MAXWELL
Dalla risoluzione delle equazioni di Maxwell risulta
che:
E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari
alla direzione di propagazione
le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto
alla velocità della luce
C = 3*108 m/s
CHE COSA E' UN' ONDA?
Onda
Perturbazione dello stato di un corpo o di
un campo dovuto al trasporto di energia.
Le onde acustiche trasmettono energia al
mezzo in cui si propagano attraverso il
moto vibrazionale delle molecole.
A
vibrare sono i vettori posizione, velocità e
accelerazione.
Le onde elettromagnetiche trasmettono
energia perturbando lo stato del campo
elettromagnetico.
A vibrare sono i campi elettrici e
magnetici.
Onda periodica
Onda che presenta la stessa
configurazione in intervalli successivi.
Un’onda sinusoidale è un’onda periodica la
cui descrizione è data da una funzione
trigonometrica.
COME si CARATTERIZZA UN'ONDA
Lunghezza d’onda [m] ()
Distanza, in un’onda periodica, fra due creste successive o
fra due punti con uguale velocità (vettoriale).
Frequenza [Hz=s-1] (f oppure )
Numero di ripetizioni di un’onda nell’unità di tempo.
Periodo [s] (T)
Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali.
Velocità [m/s] (v)
Velocità di movimento del fronte d’onda.
Ampiezza (A)
Legata alla quantità di energia trasportata.
1
T 
f
v

T
f
Esercizio: calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di
periodo 10 msec [f=100 Hz]
Esercizio: calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo
che la velocità di propagazione è 340 m/s [λ = 3.4 m]
ONDE MECCANICHE
ONDE MECCANICHE: onde acustiche
ONDE SONORE
infrasuoni
sensibilità orecchio umano
20 Hz < f < 2 104 Hz
varia = 344 m s–1
vH2O = 1450 m s–1
v=f
ultrasuoni
17.2 m <  < 1.72 cm
72.5 m <  < 7.25 cm
Velocita' di progazione delle onde acustiche
v

T
f
ONDE ELETTROMAGNETICHE
Vibrazione dei campi elettrico e magnetico
• disegno
Intensità: l’energia che un’onda trasporta attraverso
una superficie A in un intervallo di tempo t: I=E/(A*t) (W/m2)
Esercizio: calcolare la lunghezza d’onda di un’onda
elettromagnetica di frequenza 6x1014 Hz [500 nm]
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
10-12
10-8
10-4
10-1
100
102
107
eV
105
10-1
10-3
10-6
10-7
10-9
10-14
m
103
107
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
Ogni tentativo di applicare le leggi della meccanica
classica e dell’elettromagnetismo a atomi e molecole e’
risultato infruttuoso
Meccanica quantistica (orbitali, legami, quantizzazione
orbite)
Planck: scambi di energia su scala atomica avvengono solo
per quantità molto piccole ma irriducibili dette quanti
Einstein: fotone, particella priva di massa con energia e
quantità di moto definite
A qualsiasi frequenza le onde elettromagnetiche vengono
sempre emesse e assorbite sotto forma di fotoni
TEORIA DEI QUANTI
Lo studio dell’interazione tra le onde elettromagnetiche e gli
atomi e le molecole ha condotto alla scoperta di proprietà
corpuscolari delle onde elettromagnetiche
• Esercizio: quanto vale l’energia trasportata da un fotone di
lunghezza d’onda 600 nm [E= 2 eV]
NUCLEO E FORZA NUCLEARE
L’ ATOMO
+
Raggio del nucleo  10-15 m = 1fm
Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI)
costituiscono il NUCLEO dell’atomo,
+
+
attorno al nucleo sono disposti su
differenti orbite gli elettroni (e)
X
Z : NUMERO ATOMICO
numero dei protoni e degli elettroni
dell’atomo
A: NUMERO DI MASSA
numero dei protoni + neutroni presenti
nell’atomo
TRANSIZIONI ATOMICHE
Gli elettroni sono legati nell’atomo, ovvero la transizione di un
elettrone a un qualsiasi livello diverso da quello fondamentale
avviene al prezzo della somministrazione di una quantita’ di
energia pari alla differenza energetica tra i due livelli, mentre
l’elettrone si libera dall’atomo solo fornendo un’energia pari all’
energia di legame.
• La forza di attrazione coulombiana tra due protoni nel nucleo
vale circa 25 kg peso.
• La forza di gravita’ tra le masse protoniche e’ attrattiva ma
totalmente insufficiente ad opporsi alla repulsione coulombiana:
alle distanze nucleari e’ dell’ordine di 10-30 dyne.
• E’ necessario ipotizzare l’esistenza di una forza attrattiva che
agisce solo nel nucleo (a breve raggio d’azione dunque) e molto
intensa. Questa forza e’ chiamata forza nucleare forte.
• Nei nuclei agisce anche una seconda forza nucleare, chiamata
forza nucleare debole, responsabile di alcuni fenomeni nucleari
come certi decadimenti radioattivi.
LA FORZA NUCLEARE FORTE
U(r)
Energia potenziale nucleare in funzione
della distanza di separazione nucleone-nucleone
Raggio del nucleo  10-15 m = 1fm
0
0.5
forza repulsiva
1
1.5
r (fm)
forza attrattiva
UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA
Usualmente si misurano le masse degli atomi in UNITA’ DI MASSA
ATOMICA a.m.u. che è 1/12 della massa di 1 atomo di
12C
1 a.m.u.=( 1.99*10-23 g) / 12 = 1.66*10-24 g
mp= 1.007593 a.m.u.
mn= 1.008987 a.m.u.
me= 0.000552 a.m.u.
Per un generico atomo di numero atomico Z e numero di massa A
M(a.m.u.) = Z mp + (A-Z) mn + Z me
Esercizio: quanto vale la massa del
17O
espressa in a.m.u.? [17.146043]
DIFETTO DI MASSA DEI NUCLEI
• La massa del 17O, calcolata a partire dalle singole masse
atomiche dei suoi costituenti, vale 17.146053 a.m.u., eppure la
misura sperimentale risulta 17.004553 a.m.u.; i due valori
presentano una discrepanza Δm=0.131510 a.m.u. che prende il
nome di DIFETTO DI MASSA e si riscontra in tutti i nuclei.
• I neutroni e i protoni sono legati nel nucleo come gli elettroni
sono legati nell’atomo. Come per separare gli elettroni nell’atomo
bisogna fornire un’energia pari all’energia di legame, allo stesso
modo per separare i neutroni dal nucleo bisogna fare del lavoro.
• Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro
che deve essere fatto per separare i protoni e i neutroni dal
nucleo.
Esercizio: si calcoli il difetto di massa del
17O
in g
Esercizio: per mezzo dell’equivalenza massa-energia, stabilita
dalla teoria della relativita’ E=mc2, si calcoli l’energia
corrispondente al difetto di massa del nucleo di 17O
• L’energia di legame per nucleone del
7.20 MeV
17O
vale dunque 122/17=
ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE
Energia di legame per nucleone (MeV)
Piu’ bassa per gli
elementi di basso
numero atomico, cresce
rapidamente fino a
raggiungere il valore
quasi costante di circa
8 MeV
8
0
50
100
Numero di massa A
Regione di massima stabilità
Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 )
tende a prevalere sulla forza di nucleare forte
 l’energia di legame decresce
GLI ATOMI STABILI E INSTABILI
Per A elevati, la repulsione coulombiana tende prevalere
sulla forza nucleare forte:
Curva di stabilita’
NEUTRONI n
per mantenere la stabilità
il sistema reagisce arricchendo
il nucleo di neutroni, anch’essi
soggetti alla forza forte
N=Z
per Z>82 non esistono nuclei stabili
i nuclei instabili che si formano
“decadono” in altri nuclei
20
3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO
82
PROTONI p
PROCESSI DI DECADIMENTO
• per A molto elevati
XAZ
XA-4Z-2 + He42
• per Z  N
decadimento ALFA
emissione di nuclei di elio
decadimento BETA
XAZ
XAZ+1 + e- + 
emissione di elettroni o
XAZ
XAZ-1 + e+ + 
positroni
• nucleo in stato eccitato
XAZ *
XAZ+ 
decadimento GAMMA
emissione di fotoni
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
10-12
10-8
10-4
10-1
100
102
107
eV
105
10-1
10-3
10-6
10-7
10-9
10-14
m
103
107
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
Da dove originano?
•
Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche
•
Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella
materia sotto forma di fotoni
f = E1-E2/h
Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
10-12
10-8
10-4
10-1
100
102
107
eV
105
10-1
10-3
10-6
10-7
10-9
10-14
m
103
107
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche
• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite
nella materia sotto forma di fotoni
f = E1-E2/h
Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?
- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello
spettro che va dall’infrarosso ai raggi X
ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE
Energia di legame per nucleone (MeV)
Piu’ bassa per gli
elementi di basso
numero atomico, cresce
rapidamente fino a
raggiungere il valore
quasi costante di circa
8 MeV
8
0
50
100
Numero di massa A
Regione di massima stabilità
Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 )
tende a prevalere sulla forza di nucleare forte
 l’energia di legame decresce
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
10-12
10-8
10-4
10-1
100
102
107
eV
105
10-1
10-3
10-6
10-7
10-9
10-14
m
103
107
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
• Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche
• Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella
materia sotto forma di fotoni
f = E1-E2/h
Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?
- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello
spettro che va dall’infrarosso ai raggi X
- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma
(possono essere anche prodotti artificialmente)
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
10-12
10-8
10-4
10-1
100
102
107
eV
105
10-1
10-3
10-6
10-7
10-9
10-14
m
103
107
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
•
Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche
•
Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia
sotto forma di fotoni
f = E1-E2/h
Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?
- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello
spettro che va dall’infrarosso ai raggi X
- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma
(possono essere anche prodotti artificialmente)
- circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio
•
Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche
•
Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia
sotto forma di fotoni
f = E1-E2/h
Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ?
- le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello
spettro che va dall’infrarosso ai raggi X
- nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma
(possono essere anche prodotti artificialmente)
- circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio
- emissione termica dall’infrarosso all’UV