Nessun titolo diapositiva - Dipartimento di Matematica e Fisica

L’ATOMO
Laboratorio estivo di
Fisica Moderna
Università Cattolica del Sacro
Cuore
16-19 luglio ‘03
COMPONENTI DEL GRUPPO
ATOMO 1: Jessica Ruggeri
Cora Bregalanti
Federica Caminiti
Simona Corbellini
ATOMO 2: Andrea Picciolo
Luigi Cardamone
Luca Lauretta
Emanuele Egiziano
ATOMO 3: Nicoletta Novello
Elisa Portaluri
Alessandra Roberto
Benedetto Scibetta
Mattia Migliorati
Il tramonto della fisica
classica, direttamente
connesso con la nascita
della fisica moderna, ha
innanzitutto lasciato un
grande insegnamento: ogni
dottrina scientifica ha
un proprio campo di
validità.
Introduzione
Obiettivo del nostro percorso era
verificare sperimentalmente la
struttura composita degli atomi,
concettualmente e cronologicamente
connessa con la teoria dei quanti e la
spettroscopia.
Attraverso tre esperienze ci siamo
avvicinati alle teorie atomiche di
Thomson, Rutherford, Bohr
THOMSON
Per dare un’immagine concreta
alla struttura atomica Thomson
nel 1902 teorizza il cosiddetto
modello a “PANETTONE”.
Mentre la carica positiva,
distribuita in modo continuo,
occupa una sfera di raggio
r=10-10, gli elettroni sono
“sparsi” in numero tale da
equilibrare la carica positiva.
Rutherford
Tra il 1908 e il 1911 Rutherford, per
giustificare razionalmente una celebre
esperienza sulla diffusione delle particelle α,
introduce il modello planetario degli elettroni.
Egli idealizza l’atomo come un microscopico
sistema solare in cui gli elettroni, simili a
pianeti, ruotano attorno ad una massa positiva,
più tardi chiamata nucleo.
Bohr
Nel 1913 Bohr presenta
un suo modello atomico
basato su due
postulati:
•ogni orbita ha un
determinato livello
energetico
•l’elettrone,passando
da un orbita all’altra,
assorbe o emette una
determinata quantità di
energia.
L’ENERGIA E’
QUANTIZZATA
L’esperimento di Thomson è la
scoperta dell’elettrone...
Thomson attraverso un
brillante esperimento
riuscì a calcolare il
rapporto e/m
dimostrando
l’esistenza
dell’elettrone.
Per ripetere l’esperimento di Thomson
ci siamo serviti di un’apparecchiatura
come quella in figura:
Attraverso questa
attrezzatura è
stato possibile
studiare i raggi
catodici in
relazione ad un
campo magnetico
uniforme.
Abbiamo osservato come i raggi catodici
subivano l’influenza del campo magnetico
generato dalle due bobine.
Abbiamo ipotizzato che i raggi catodici
fossero formati da particelle cariche,
dotate di una propria massa e di una
propria carica...
In base a queste ipotesi è stato
possibile calcolare il rapporto e/m
a partire dalle grandezze
sperimentali:
e/m= 2V/ (k2I2r2)
In accordo con le nostre ipotesi
teoriche questo rapporto si rivelava
costante al variare di tutti gli
altri parametri della formula
precedente.
I raggi catodici erano quindi
costituiti da particelle tutte
uguali, dotate di una massa e di una
carica intrinseca:
gli elettroni...
I dati ricavati dal nostro
esperimento sono i seguenti:
Misura Sx
Misura Dx
0,04
0,042
0,044
0,046
0,05
0,052
0,054
Misura Sx
Raggio (m)
0,03
0,032
0,034
0,036
0,04
0,042
0,044
Misura Dx
0,05
0,047
0,042
0,038
0,035
3,50E-02
3,70E-02
3,90E-02
4,10E-02
4,50E-02
4,70E-02
4,90E-02
Raggio(m)
0,045
0,038
0,033
0,029
0,025
Valore Teorico
Valore Sperimentale
1,76E+11
4,75E-02
4,25E-02
3,75E-02
3,35E-02
3,00E-02
1,80E+11
Corrente (A) Tensione (V) V/r2
1,5
140 1,14E+05
1,5
160 1,17E+05
1,5
180 1,18E+05
1,5
210 1,25E+05
1,5
240 1,19E+05
1,5
270 1,22E+05
1,5
300 1,25E+05
Media
1,20E+05
Dev. stand. 4,10E+03
Errore Per.
3,4%
e/m
1,66975E+11
1,70756E+11
1,72903E+11
1,8252E+11
1,73159E+11
1,78577E+11
1,82552E+11
1,75E+11
6,00E+09
3,4%
Corrente(A) Tensione(V) i2Xr2
e/m
1
150 2,26E-03 2,18547E+11
1,2
150 2,60E-03 1,8958E+11
1,4
150 2,76E-03 1,78901E+11
1,6
150 2,87E-03 1,71634E+11
1,8
150 2,92E-03
1,691E+11
Media
2,68E-03
1,86E+11
Dev. stand
2,67E-04
2,01E+10
Errore Per.
10,0%
10,8%
Diff. Perc.
2,5%
OBIETTIVO: Confronto tra il modello di
Thomson (“ a panettone”: carica diffusa in tutto
lo spazio dentro cui si muovono gli elettroni) e il
modello di Rutherford (“planetario”: carica
positiva concentrata al centro con gli elettroni
che ruotano attorno al nucleo)
…diffusione di particelle a...
• Scatola cilindrica
sottovuoto
• Cannone di
particelle a
• Lamina d’oro
• Rilevatore di
particelle e della
loro energia
ESPERIMENTO:
Le particelle alfa vengono sparate contro una lamina
d’oro:
1) se tutte le particelle attraversano la lamina, è esatto
il modello di Thomson
2)se alcune particelle rimbalzano, è esatto il modello di
Rutherford
•all’ interno del sistema viene creato vuoto spinto per
evitare che le particelle si disperdano
•la sorgente di radiazioni emette particelle a
•le particelle a colpiscono la lamina d’oro
•un sensore collegato al computer rileva il numero di
particelle che attraversano la lamina
Verificato che le particelle rimbalzano, lo scopo
della rilevazione dei dati era di verificare che la
formula teorica: N(J)/Dt = d* n*(qa2* QN2 /sen4
(J/2)), relativa al numero di particelle passate
attraverso la lamina, corrispondesse al numero di
particelle rilevate dal sensore.
Affinché venisse dimostrata la nostra tesi era
necessario variare l’inclinazione della sorgente
rispetto alla lamina.
Dai dati abbiamo ricavato il grafico del numero di
particelle in funzione dell’ angolo.
Curva teorica e curva sperimentale dovrebbero
corrispondere.
J
-20
-17,5
-15
-12,5
-10
-7,5
-5
-2,5
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
Dt
400
300
200
120
60
60
60
60
60
60
60
60
60
120
200
300
400
k
9,5E+30
Q2
1,5977E-34
n° sper.
260
457
716
1241
1452
2454
2832
3229
3375
3249
2991
2458
1485
1653
961
542
378
n°/Dt
0,65
1,523333
3,58
10,34167
24,2
40,9
47,2
53,81667
56,25
54,15
49,85
40,96667
24,75
13,775
4,805
1,806667
0,945
n° teorico
1,669309
2,834222
5,229102
10,80525
26,30472
26,30472
10,80525
5,229102
2,834222
1,669309
J
-20
Dt
400
n° sper.
223
n°/Dt
0,5575
-15
300
1568
5,226667
-10
100
2769
27,69
-5
80
4152
51,9
0
80
4432
55,4
5
80
3605
45,0625
10
100
2030
20,3
15
300
985
3,283333
20
400
267
0,6675
60
50
n°
40
30
20
10
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
angolo
curva teorica curva sperimentale 1 curva sperimentale 2
CONCLUSIONE:
Osservando il grafico si nota che le due curve
sperimentali coincidono fra di loro e con quella
teorica.
Questo dimostra la corretta acquisizione dei dati e
in primo luogo che la formula teorica elaborata da
Rutherford ha una conferma sperimentale.
Si può concludere che il modello
planetario è esatto secondo i dati ottenuti!
Gli Spettri a righe
Lo spettro continuo è
ottenuto dalla dispersione
della luce bianca nelle sue
diverse componenti.
Gli spettri a righe si
ottengono nello momento in
cui al posto della luce bianca
viene utilizzato un gas
rarefatto. Gli effetti osservati
riguardano esclusivamente la
composizione spettrometrica
del gas stesso.
Obiettivo dell’esperimento.
L’obiettivo dell’esperimento era di dimostrare la veridicità
della tesi di Bohr. Egli ipotizza che esistono solo
determinate orbite sulle quali gli elettroni si trovano
conservando la propria energia. Gli elettroni possono
“saltare” da un’orbita all’altra assorbendo o cedendo
energia. Quando gli elettroni passano da un’orbita più
esterna a una più interna emettono energia sotto forma di
radiazione luminosa. Queste onde luminose hanno ognuna
un specifica frequenza, di conseguenza determinano degli
spettri a righe. Questi sono un’impronta digitale dell’atomo.
Spettrofotometro
Collimatore
Lampada di
Neon
Reticolo di
diffrazione
Lente
focalizzatrice
Sensore di luce
montato su
goniometro
Spettro dell’atomo di neon
Usando una fenditura più piccola l’intensità dei picchi è
minore, ma lo spettro risulta più dettagliato.
Fenditura 4
Fenditura 1
Conclusioni
• Thomson
struttura
elaborano
spiegarne
Thomson
Rutherford
Bohr
Einstein
e Rutherford intuiscono la
atomica della materia ed
modelli atomici tali da
il comportamento;
• Bohr, dall’analisi degli spettri di
emissione dei gas eccitati, riesce a
darne un’interpretazione basandosi sulle
leggi della fisica classica;
• Einstein fa un passo avanti rispetto
agli schemi teorizzati da Bohr,
estendendo il concetto di quantizzazione,
oltre che all’energia emessa dagli
elettroni eccitati, anche alle onde
elettromagnetiche.