ATOMO - Dipartimento di Matematica e Fisica

ATOMO
Laboratorio estivo di Fisica
Moderna 2008
Modelli atomici
– Democrito (460 a.C.) ipotizza l’esistenza di
particelle indivisibili chiamate “Atomi”...
Modelli principali:
• J. J. Thomson (1865-1940)
• E. Rutherford (1871-1937)
• N. Bohr (1885-1962)
J. J. Thomson 1865-1940
• Nasce a Cheetham
• Scopre dei corpuscoli di
carica negativa, chiamati
elettroni
• Nobel per la Fisica
(1897)
• Realizza primo
spettrometro di massa
(1912) => determinare
rapporto e-/m
• Scopre isotopi
Gli elettroni,
carichi
negativamente,
sono distribuiti
casualmente in una
massa fluida di
carica positiva.
E. Rutherford 1871-1937
• Nasce a Brightwater
• Nobel per la Chimica
(1908)
• Scopre nucleo atomico
• Trasmuta elemento
chimico in un altro
• Avanza teorie
sull’esistenza dei neutroni
Gli elettroni ruotano
intorno al nucleo positivo
secondo orbite circolari.
N. Bohr 1885-1962
• Nasce a Copenaghen
• Nobel per la fisica (1922)
• Sviluppa il principio di
complementarità
• Fonda CERN di Ginevra
Quasi tutta la massa
atomica è nel nucleo,
attorno al quale ruotano
gli elettroni su orbite ben
definite che rappresentano
i vari stadi di energia.
L’elettrone può cadere da
un’orbita di alta energia ad
una di bassa energia,
producendo un fotone.
Esperimento di
Thomson: apparato e/m
Verificare in modo sperimentale il
rapporto e/m
Formula utilizzata
La forza di Lorentz agisce perpendicolarmente alla velocità v e al
campo magnetico B:
F = evB
F = ma = m v2/R
e/m = 2V/ (BR)^2
e = carica elettrica
m = massa elettrone
V= voltaggio
B = costante magnetica (7,8 *10-4) * intensità di corrente (I)
R = raggio preciso (media del raggio dx e sx)
Strumenti
Utilizzati
Lettura dello strumento
Il passo più importante sta nel
stabilire la lunghezza del raggio
grazie al righello a specchio.
Procedimento
Fascio di elettroni accelerato
Azionamento bobine
Scelta di un determinato valore di voltaggio e intensità elettrica
Individuazione raggio sx e dx tramite scala a specchio
raccolta dati
Applicazione formula
V (V)
Raccolta dati
I (A)
150
205
193
174
215
215
215
215
225
251
260
260
300
171
171
171
171
171
171
171
181
272
272
272
272
272
272
272
1,22
1,22
1,22
1,22
1,41
1,47
1,53
1,58
1,57
1,48
1,62
1,58
1,46
1,37
1,4
1,45
1,5
1,55
1,61
1,71
1,81
1,32
1,45
1,57
1,69
1,79
1,89
1,94
Media
1,93E+11
Deviazione
8,E+09
R1 (m) R2 (m) R (m) e/m (C/Kg) D %
0,04
0,04 0,041 1,97E+11
0,045
0,05 0,048 2,01E+11
0,045 0,049 0,047 1,93E+11
0,042 0,046 0,044 1,99E+11
0,045 0,043 0,044 1,84E+11
0,042 0,042 0,042 1,85E+11
0,04
0,04 0,040 1,89E+11
0,039
0,04 0,040 1,81E+11
0,041 0,043 0,042 1,70E+11
0,044 0,045 0,045 1,90E+11
0,04 0,043 0,042 1,89E+11
0,042 0,043 0,043 1,90E+11
0,049
0,05 0,050 1,89E+11
0,04
0,04 0,040 1,87E+11
0,039 0,038 0,039 1,93E+11
0,038 0,037 0,038 1,90E+11
0,035 0,037 0,036 1,93E+11
0,035 0,036 0,036 1,86E+11
0,032 0,034 0,033 1,99E+11
0,029 0,032 0,031 2,07E+11
0,028 0,031 0,030 2,09E+11
0,049 0,053 0,051 1,97E+11
0,045 0,048 0,047 1,97E+11
0,042 0,044 0,043 1,96E+11
0,039 0,041 0,040 1,96E+11
0,037 0,039 0,038 1,93E+11
0,035 0,035 0,035 2,04E+11
0,034 0,035 0,035 2,00E+11
valore riferimento 1.76E+11
Errore % deviazione
4,E+00
12,0
14,0
9,6
12,8
4,3
5,3
7,2
3,1
3,3
8,1
7,4
7,7
7,3
6,4
9,9
8,0
9,5
5,5
13,1
17,4
18,6
12,1
11,8
11,5
11,2
9,8
16,1
13,4
Errori sperimentali
•Errata lettura dello strumento (parallasse)
•Voltaggio o corrente troppo bassi o troppo alti
•Mal posizionamento del cannone elettrico
•Eventuali errori strumentali
Esperienza di RUTHERFORD
(modello planetario)
Apparato sperimentale utilizzato: sorgente radioattiva (Americio),
lamina di alluminio, pompa a vuoto, cilindro a vuoto, rilevatore
(fotodiodo a giunzione pn).
Modalità operative
•Monto il dispositivo
•Attraverso la pompa a vuoto pratico il vuoto nel cilindro
•Collego ad un computer il rilevatore.
•Posiziono la sorgente radioattive e la lamina di alluminio
perpendicolarmente al rilevatore.
•Tramite il rilevatore misuro la corrente che vi giunge proporzionale
al numero di particelle che, dopo aver attraversato la lamina in un
intervallo di tempo definito (60s), lo colpiscono.
•Mantenendo fisso il rilevatore
ruoto la lamina e la sorgente di
un certo angolo θ compreso tra
±15°
•Ripeto le operazioni precedenti
più volte variando angolo.
Dati Sperimentali
2000,00
1800,00
1600,00
N. particelle
Angolo Area (N)
15,00
0,00
12,50
0,50
10,00
12,00
7,50
12,00
5,00
132,00
2,50
692,00
2,00
825,00
1,00
965,00
0,00 1348,00
-1,00 1442,00
-2,00 1308,00
-2,50 1193,00
-4,00 1006,00
-5,00
498,00
-7,50
104,00
-10,00
8,00
-12,50
1,00
-15,00
0,66
1400,00
1200,00
1000,00
800,00
600,00
400,00
200,00
0,00
-20,0 -15,0 -10,0 -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
0
0
0
Angolo (°)
Curva Teorica
500,00
450,00
400,00
N. particelle
Angolo N. Teorico
15,00
2,87
12,50
5,63
10,00
12,74
7,50
35,65
5,00
143,32
2,50
1236,30
2,00
2290,03
1,00
11590,33
0,00
185417,03
-1,00
-2,00
185417,03
-2,50
36627,91
-4,00
2290,03
-5,00
724,84
-7,50
104,09
-10,00
28,38
-12,50
10,67
-15,00
4,87
1
N C
4 
sen  
2
350,00
300,00
250,00
200,00
150,00
100,00
50,00
0,00
-20,00 -15,00 -10,00 -5,00 0,00
5,00 10,00 15,00 20,00
Angolo (°)
Osservazioni
•La maggioranza delle particelle alfa prosegue in linea retta.
•Alcune particelle sono deviate con un angolo diverso da 0.
•Maggiore è l’angolo minore è la quantità di particelle
rilevate.
Conclusioni
•Le particelle alfa(nuclei di elio) sono molto più piccoli
dell'atomo, 10 -15.
•La maggiore componente dell'atomo era lo spazio vuoto.
•Non era concepibile una struttura atomica come quella
rappresentata da Thomson.
Esperienza “Spettri a righe”
Lo scopo dell'esperimento è quello di verificare la tesi di Bohr
riguardante il modello atomico da lui proposto.
nel 1913 per spiegare gli spettri a righe degli elementi.
Postulati del modello atomico di Bohr
• Gli elettroni si muovono su
orbite circolari attorno al nucleo
• Un elettrone in moto su un
orbita non irraggia
• Le orbite sono soggette a una
condizione di quantizzazione
del momento angolare
L = n h/2p
• Gli elettroni possono emettere o
assorbire radiazioni
elettromagnetiche quando
passano da un’orbita all’altra
E2 - E1 = hn
H: costante di
Plank =
6.63*10^-34 J*s
Gli spettri a righe
Se si fornisce energia ad un
elettrone, questo è in
grado di emettere, sotto
forma di radiazione
luminosa, questa stessa
energia, tornando nel suo
stato fondamentale.
Tale energia emessa viene
poi assorbita su lastre o
appositi strumenti e
rappresentata nei
cosiddetti spettri a righe.
2 tipi di spettri:
-continuo: dispersione della
luce bianca nelle sue
componenti
-discontinuo: assorbimento
di determinate lunghezze
d’onda da parte di un
particolare elemento
Spettrofotometro
Materiale utilizzato
• Spettrofotometro
• Calcolatore per elaborazione dati
Funzionamento
Descrizione dispositivo
1
2
3
5
7
-Collimatore (2)
6
4
-Lampada a spettro contenente per
ogni prova un elemento differente
(1)
-Lenti per focalizzare il fascio
luminosos proveniente dalla
lampada (3)
-Base d’appoggio per lo strumento
(4)
-Sensore luminoso (5)
-Sensore di posizione angolare (6)
-Reticolo di diffrazione con
fenditure di diverse grandezze (7)
Prove eseguite
Sodio
La radiazione luminosa della lampada a Sodio (Na) produce,
una volta diffratta, uno spettro di righe colorate.
Idrogeno
Rosso
Violett
o
Verde
Analisi Dati
Mercurio
Viola
1
Viola
Viola 2
3
Verde
Gialloaranci
o
Analisi Dati
Kripton sensibilità x 10
IR3
IR4
IR2
IR1
Kripton sensibilità x 100
Analisi Dati 1
Analisi Dati 2
Conclusioni
• Bohr, tramite l’esperienza degli spettri a righe riuscì a
dimostrare la validità della sua teoria e dei suoi postulati e
pose le basi per lo sviluppo della meccanica quantistica
(energia quantizzata).
• Esso dimostrò anche che il raggio e l’energia dei livelli
energetici sono calcolabili attraverso alcune formule
matematiche.
• Es: nel caso dell’Idrgoeno H
• E1 = E (n=1) = -13.6 eV
1eV = 1.6*10^-19 J
• R1 = R (n=1) = 0.529 A = 0.5 * 10^-10 m = 5*10^-11 m
Gruppo Atomo
•
•
•
•
•
Bodini Laura
Danelli Matteo
Ghidelli Ruben
Lancini Davide
Madonini Claudio
•
•
•
•
Manzoni Martina
Medeghini Fabio
Zangarini Maria Paola
Zatti Nadia