Laboratorio estivo di Fisica Moderna
Università Cattolica del Sacro Cuore di Brescia
14-16 Luglio 2014
L'atomo
e i quanti di energia
Cozzo Gabriele
Fedeli Valeria
Lucchini Riccardo
Meli Giuliano
Risotto Ramiro
Bariselli Andrea
Bortolotti Luca
Misso Giovanni
Treccani Simone
Zuccoli Alessandro
JOSEPH JOHN THOMSON
(1856-1940)
Modello atomico di
Thomson ( Plum
Pudding);
Esso, elettricamente
neutro, presenta un
numero uguale di
elettroni negativi e positivi.
Tubo catodico utilizzato da Thomson nei suoi esperimenti
ESPERIMENTO: Apparato strumentale
Bobine di Helmoltz
Asta graduata
Bulbo di vetro
Amperometro
Cavi elettrici
Generatore
Svolgimento dell'esperimento:
Fascio di elettroni
Forza di Lorentz
Rappresentazione grafica della formula
e/m teorico = 1,76*1011 C/kg
Limitazioni strumentali
150 Volt < V < 300 Volt
I < 2 Ampère
Il modello di Rutherford
Nel 1896 Thomson aveva scoperto
l'elettrone e aveva dato un suo modello
di atomo: un fluido di carica positiva che
ospitava gli elettroni.
Rutherford nel 1906 confutò il modello
dell'atomo, detto a “panettone”, di
Thomson.
Con il suo esperimento si aspettava di
confermare il modello di Thomson,
invece ottenne un risultato inaspettato:
gli atomi si comportavano come se
avessero un nucleo denso e di carica
positiva.
L’idea
+
+
Particella α
Atomo di Thomson
Particelle α
L’idea era questa: colpire
atomi con particelle di carica
positiva come le α (nuclei di
elio), per ottenere
informazioni sulla
distribuzione delle cariche
nell’atomo.
Se il modello atomico di
Thomson, in cui le cariche
elettriche sono distribuite
uniformemente nell’intera
struttura, fosse stato corretto
le particelle α avrebbero
attraversato indisturbate
l’atomo.
L’esperimento
L’apparato è composto da una
sorgente di particelle α, una
sottilissima lamina metallica e un
materiale sensibile alle α.
Rutherford usò una lamina d’oro
e un rivelatore al solfuro di
zinco, noi una lamina di
alluminio e un sensore
elettronico. Inoltre la nostra
sorgente non aveva le stesse
caratteristiche di quella usata da
Rutherford.
Si scopre contro ogni aspettativa
che alcune particelle
interagiscono con la lamina e
sono deviate o addirittura
riflesse.
Risultati
Rutherford ottenne notevoli
risultati, rilevando anche
particelle deviate di oltre 90°.
Noi, avendo una sorgente
molto meno potente e poco
regolare e un tempo di
osservazione limitato,
abbiamo registrato solo
deviazioni più lievi, in un
intervallo di 30°.
Angolo
15°
12,5°
10°
7,5°
5°
2,5°
0,5°
-0,5°
-2,5°
-5°
-7,5°
-10°
-12,5°
-15°
Numero di
particelle α
4
2
10
109
632
1925
3124
3212
2595
1279
316
32
8
3
Osservazioni
Il numero di particelle decresce
teoricamente secondo il fattore
Ciò significa che tende all'infinito
per θ=0 e decresce molto
velocemente. Per questo motivo
per angoli vicini a 0° il valore
teorico si discosta
dall'esperienza. Inoltre ci è stato
difficile rilevare particelle a
distanze maggiori di 15°.
In seguito a questo esperimento Rutherford pensò
ad un modello con un nucleo molto piccolo in cui
fosse concentrata la massa di carica positiva e
con elettroni orbitanti attorno ad esso.
In questo modo dava una spiegazione alla
deviazione e alla riflessione di alcune particelle
Questo sistema aveva però un difetto: non era stabile!
Un elettrone, infatti, muovendosi di moto accelerato, perde
energia avvicinandosi al nucleo.
Gli elettroni del modello Rutherford quindi avrebbero dovuto
precipitare sul nucleo in poche frazioni di secondo!!!
Soltanto successivamente
Bohr con la teoria della
quantizzazione delle orbite
riuscì a rimediare a questo
problema. La sua teoria
deriva dall'osservazione
degli spettri luminosi dei
gas.
GLI SPETTRI A RIGHE
Lo spettro in fisica è
la figura di diffrazione
creata dalla
scomposizione delle
radiazioni
elettromagnetiche.
L' IMPORTANZA DEGLI SPETTRI
A RIGHE
Lo studio degli
spettri permette di
individuare
una certa specie
chimica.
I POSTULATI DI BOHR
I
Un elettrone in un atomo si muove su un' orbita circolare
attorno al nucleo sotto una forza coulombiana secondo le
leggi della meccanica classica.
II
Un elettrone si muove su
ciascuna orbita senza
emettere radiazioni
quindi l' energia rimane
costante.
III
Un elettrone emette una radiazione elettromagnetica se
cambia il suo moto per passare da un' orbita all' altra.
A differenza del modello atomico
di Rutherford, in quello di Bohr gli
elettroni non sono posizionati in
una qualsiasi orbita, ma secondo
un criterio non arbitrario per cui
possono scambiare con l'esterno
solo determinate quantità di
energia.
Bohr, che a quel tempo lavorava con Rutherford, propose un
modello che, applicando all'atomo di Rutherford la
quantizzazione dell'energia introdotta da Planck, riusciva a
giustificare lo spettro dell'idrogeno.
Gli elettroni possono occupare solo stati quantizzati di energia
(orbite); questi stati hanno energie diverse e quello con energia
inferiore è detto stato fondamentale.
Un elettrone può operare una transizione da un livello di energia ad un
altro solo assorbendo o emettendo radiazione (III postulato).
Spettro Continuo
Spettro a Righe
Tutto inizia dalla lampada
che crea un' elevata
differenza di potenziale tale
da costringere gli elettroni
ad attraversare un tubo di
vetro contenente gas.
Il gas emette luce: ciò è
dovuto alle interazioni che
avvengono tra gli atomi e la
scarica elettrica.
La
luce
policromatica,
prodotta
con
questo
apparato, viene condotta,
con un sistema di fenditure
e lenti, ad un prisma o ad
un reticolo di diffrazione, i
quali
scompongono tale
raggio nelle sue varie
componenti
monocromatiche
Analisi dei dati sperimentali
Lo scopo dell'esperimento è riprodurre le
condizioni che hanno permesso a Bohr di
formulare la sua teoria atomica.
Con l'analisi dei dati si nota infatti che ogni diverso
elemento possiede specifiche bande di emissione.
Esse, a loro volta, sono in diretta correlazione col
modello teorizzato dal fisico danese e con le
diverse dinamiche che coinvolgono gli elettroni
all'interno dell'atomo.
Dati sperimentali: neon
Y
I
N
T
E
N
S
I
T
A'
Righe spettrali
ANGOLO DI RIFRAZIONE X
Dati sperimentali: idrogeno
Y
I
N
T
E
N
S
I
T
A'
E' possibile ricavare la lunghezza
d' onda di ogni banda con la
formula:
sin( [nm]
520nm
704nm
ANGOLO DI RIFRAZIONE X
