Struttura
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Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Insegnamento di Chimica Generale 083424 - CCS CHI e MAT Radiazione e Materia Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://ISCaMaP.chem.polimi.it/citterio 2 Teoria Quantistica e Struttura Atomica - Natura della Luce - Spettri Atomici - Dualità Onda-Particella di Materia ed Energia Stadium Corral Ferro su Rame (111) Attilio Citterio 3 Onde o Radiazioni Elettromagnetiche • Campi elettrici e magnetici che oscillano in direzioni perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda. Ee Lunghezza d’onda Componente sinusoidale del campo elettrico (E) Em propagazione Componente sinusoidale del campo magnetico (H) Le onde si propagano nel vuoto con velocità della luce (c = 2.9979108 m·s-1)*. *(prima determinazione nel 1680-90 da parte dell’astronomo danese Ole Roemer) Attilio Citterio 4 Radiazione Elettromagnetica • LUNGHEZZA D’ONDA - La distanza tra punti identici su onde successive. ( ) • FREQUENZA - Il numero di onde che passano per un particolare punto al secondo. () • AMPIEZZA - La distanza verticale alla metà di un picco, o che taglia a metà l’onda. • Numero d’onda – L’inverso della lunghezza d’onda () Attilio Citterio c cicli m m s cicli s c = velocità della luce = 2.99 108 m·s-1 (nel vuoto) c 1 c c 5 Frequenza e Lunghezza d’Onda 1 secondo c = 2 cicli al secondo (Hertz = s-1) 2 = 4 cicli al secondo (4 Hertz) = 8 cicli al secondo (8 Hertz) Numero d’onda Attilio Citterio 6 Ampiezza di un Onda ampiezza superiore (più brillante) Attilio Citterio ampiezza inferiore (più tenue) 7 Regioni dello Spettro Elettromagnetico 390 nm 760 nm Frequenza [Hz] 10-8 10-6 106 1 103 10-3 10-4 10-2 1 102 104 106 Lunghezza d’onda [m] E = h =c/ Attilio Citterio Infrasonico Sonico (udibile) ultrasonico Radio NMR Televisione Infrarosso Microonde Raggi X 10-10 Ultravioletto Visibile Raggi gamma Raggi cosmici 10-12 1010 Visibile Ultravioletto 10-14 10151014 Radar 1017 Infrarosso 1019 1022 108 1010 Lo Spettro della Radiazione Elettromagnetica 8 • Lunghezza d’onda della luce visibile: 400–700 nm (nanometri) • Le Radiazioni radio, TV, Microonde e Infrarossi hanno lunghezze d’onda molto più alte (frequenze più basse), ed energie più basse della luce visibile. • I raggi Gamma e i raggi X hanno lunghezze d‘onda più corte (frequenze più elevate), ed energie più elevate della luce visibile. L’interazione della radiazione con la materia raggi X raggi X Ionizzazione Raggi X Ionizzazione Scattering Compton Raggi X di più lunga Fotoionizzazione Energia di Ionizzazione Ultravioletto grande numero di stati energetici disponibili, fortemente assorbiti Cambi di livello elettronico Visibile Infrarosso Piccolo numero di stati disponibili, quasi trasparenti Microonde Attilio Citterio Vibrazioni molecolari Rotazioni e torsioni molecolari Calcolo della Frequenza dalla Lunghezza d’Onda 9 Problema: La lunghezza d’onda di un tipo di raggi X è 1.00 10-9 m. Quale è la frequenza di questa radiazione? Piano: Usare la relazione tra lunghezza d’onda e frequenza per ottenere la risposta. (lunghezza d’onda frequenza = velocità della luce!) Soluzione: frequenza velocità della luce m s 1 lunghezza d ' onda m c 3.00 108 m s 1 17 1 frequenza 3.00 10 cicli s Hz 9 1 1.00 10 m ciclo Attilio Citterio Comportamento Diverso delle Onde e delle Particelle Onda Particella Direzione dell'onda luminosa Aria Acqua Traiettoria di un oggetto Angolo di rifrazione B A Massimi delle onde Fascio di particelle D C Attilio Citterio 10 11 Figure di Interferenza (Diffrazione) Causate dalla luce che passa attraverso due fenditure adiacenti e che si sommano o si eliminano in funzione della distanza dalle fenditure e dalla lunghezza d’onda. Film (visione laterale) Onde in fase Onde fuori fase Film (visione frontale) Macchia chiara Macchia scura Fronte dell’onda Onde luminose Figure di interferenza Attilio Citterio 12 Esperimenti Chiave sulla Luce • Radiazione del corpo nero - Planck • Effetto Fotoelettrico - Einstein • Spettri a righe degli atomi – Bohr (tutti riferiti a transizioni elettroniche) Fotoionizzazione Energia di Ionizzazione Cambi di livello elettronico Ultravioletto Visibile Infrarosso Microonde Attilio Citterio Vibrazioni molecolari Rotazioni e torsioni molecolari 13 L’Effetto Fotoelettrico Metodo “Classico” Cosa succede se si prova? Aumentare l’energia aumentando l’ampiezza elettroni emessi? No No Variare la lunghezza d’onda ad ampiezza fissa elettroni emessi? No Si, con bassa KE No No Si, con alta KE Nessun elettrone è emesso finché la frequenza della luce supera una frequenza critica, a cui gli elettroni vengono emessi dalla superfice! Attilio Citterio 14 La Natura di Particella della Luce • Un piatto metallico carico negativamente e sensibile alla luce viene esposto alla luce di lunghezza d’onda ed intensità variabili. Tubo sotto vuoto OSSERVAZIONI • Sotto l’energia di soglia, non succede nulla! • Sopra la soglia, l’energia cinetica degli elettroni emessi è proporzionale alla frequenza della luce. • Inoltre, sopra la soglia, al crescere dell’intensità della luce, cresce il numero di elettroni emessi. • Tutti i metalli subiscono questo effetto, ma ognuno ha un’unica tipica frequenza di soglia. Attilio Citterio Piatto metallico sensibile alla luce Elettrodo Positivo Batteria Amperometro 15 L’Effetto Fotoelettrico - I • Emissione di Elettroni da un Metallo Solido Irraggiato Si misura l’energia cinetica degli elettroni emessi (fotoelettroni) = voltaggio per cui la corrente è zero Batteria - Elettrodo metallico illuminato eLuce incidente da sorgente + + Elettrodo di raccolta Attilio Citterio + + e- Generatore a voltaggio variabile - Amperometro 16 Relazione Energia/Frequenza dei Fotoni • Albert Einstein – Teorizzò i fotoni per spiegare l’effetto fotoelettrico. – Vinse il premio Nobel nel 1921 • I fotoni possiedono un’energia pari a E = h h = Costante di Planck, pari a: 6.6260755 10-34 J·sec • Einstein affermò che l’energia cinetica dell’elettrone espulso era eguale alla differenza tra l’energia del fotone e l’energia di legame dell’elettrone nel metallo. Etotale Elegame Ecinetica E fotone Attilio Citterio Energia dei Fotoelettroni Emessi da Alcuni Metalli Ecin. Infrarosso kJ·mol-1 17 Visibile Ultravioletto 400 300 Cs o del Cesio K Mg Zn Ni Pt 200 100 (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16104 pendenza = h (costante di Plank) = 6.6260755 10-34 J·sec Ecin. E fot . Eemis. h h 0 Attilio Citterio Ecin. h 0 18 Calcoli dell’Energia dalla Frequenza Problema: (a) Qual è l’energia di un fotone di radiazione elettromagnetica che viene emesso da una stazione radio a 97.3 FM (97.3108 Hz)? (b) Qual è l’energia dei raggi gamma emessi dal 137Cs se questi hanno una frequenza di 1.601020 s-1? Piano: Usare la relazione tra energia e frequenza per ottenere l’energia della radiazione elettromagnetica, E = h· (N.B. Hz = s-1) Soluzione: Eradio h 6.626 1034 J s 9.73 108 s 1 6.447098 1024 J Eradio 6.45 1024 J Eraggi gamma h 6.626 1034 J s 1.60 1020 s 1 1.06 1013 J Eraggi gamma 1.06 1013 J Attilio Citterio 19 Calcoli dell’Energia dalla Lunghezza d’Onda Problema: Qual é l’energia dei fotoni usati nei forni a microonde? La lunghezza d’onda di queste radiazioni è 122 mm. Piano: Convertire la lunghezza d’onda in metri, e usare E h Soluzione: 1m 122 mm 1000 mm 0.122 m 6.626 10 E 34 J s 3.00 108 m s 1 0.122 m 1.63 1024 J Attilio Citterio hc 20 Effetto Fotoelettrico - I Problema: L’energia minima per rimuovere un elettrone dal potassio metallico è 3.710–19 J. Riusciranno dei fotoni di frequenza 4.31014 s-1 (luce rossa) e 7.51014 s-1 (luce blu) ad indurre l’effetto fotoelettrico? Erosso h 6.626 1034 J s 4.3 1014 s 1 2.8 1019 J Eblu h 6.626 1034 J s 7.5 1014 s 1 5.0 1019 J Attilio Citterio 21 Effetto Fotoelettrico - II Poiché l’energia di legame del potassio è = 3.710-19 J la luce rossa non possiede abbastanza energia per espellere un elettrone dal potassio, invece la luce blu lo riesce a fare! Etotale EEnergia di legame EEnergia cinetica dell ' elettrone EElettrone Etotale EEnergia di legame EElettrone 5.0 1019 J 3.7 1019 J 1.3 1019 J Energia Cinetica dell’elettrone emesso Attilio Citterio 22 La Radiazione del Corpo Nero Superficie non riflettente. Corpo cavo a temperatura T, assimilabile ad un ideale corpo nero. Attilio Citterio Spettrofotometro, strumento in grado di misurare frequenza e intensità della luce incidente proveniente da un piccolo foro praticato nel corpo cavo. Spettro del Corpo Nero e la Quantizzazione dell’Energia I (watt·cm-2) Equazione basata sul modello ondulatorio classico 2 kT 2 I 2 c 1.0·1018 23 Equazione di Plank ottenuta per E = n h 2 2 I 2 c h e h kT 1 T = 1500 K 0.5·1018 T = 1000 K /c (cm-1) 5000 Attilio Citterio 10000 24 Luce ed Atomi Energia E = h (a) E = h (b) (c) (d) (a) L’atomo è nello stato di energia più basso – stato fondamentale. (b) L’atomo assorbe energia dal fotone, e passa nello stato eccitato. (c) Questo stato ha un eccesso di energia - L’atomo deve perderla e ritornare di nuovo allo stato fondamentale. (d) L’atomo emette un fotone, ritornando allo stato iniziale!! Attilio Citterio 25 Diagramma Energetico Multi-livello Le aggregazioni di particelle pesanti non costituiscono, a parità di numero e tipo, sistemi univoci in quanto sono in grado di assorbire o emettere particolari particelle dotate di massa a riposo nulla (fotoni o quanti di luce). Energia 2° Stato eccitato fotone 2 emesso Si modifica così l'energia interna del sistema senza che fotone 1 emesso cambi il numero e il tipo di particelle aggregate. Diventano accessibili stati energetici più elevati (stati eccitati) di quello ad energia minima (stato fondamentale). Attilio Citterio Stati elettronici eccitati 1° Stato eccitato fotone 2 assorbito fotone 1 assorbito Stato fondamentale 26 Assorbimento/Emissione di Fotoni (Radiazioni (Fotoni)) assorbimento emissione (Z, A)* (Z, A) Nucleo _ Nucleo eccitato _ _ _ _ + _ _ _ _ _ _ assorbimento _ _ + UV (Rad. UV) emissione (Fotoni) Atomo Atomo eccitato + _ _ _ _ _ UV (Rad. ultraviolette) assorbimento + IR (Rad.infrarosse) MO (Rad. microonde) Attilio Citterio emissione Molecole eccitate 27 Spettri a Righe di Alcuni Elementi 410.1 nm 434.1 nm 486.1 nm 656.3 nm H 400 450 500 Tubo a scarica di gas contenente idrogeno 550 600 650 700 750 nm Prisma Fenditura A Spettro visibile nm 400 450 500 550 600 650 700 750 nm 450 500 550 600 650 700 750 nm 450 500 550 600 650 700 750 nm Hg 400 Sr B 400 Attilio Citterio 28 Spettro di Emissione dell’Idrogeno Limite 109678 110000 Limite 27420 82259 97492 100000 80000 15233 60000 40000 Lyman UV alto + voltaggio - Limite 12186 20000 5000 cm -1 Balmer Paschen IR Visibile . H idrogeno atomico fenditura prisma prodotto dall’arco monocromatore elettrico sull’idrogeno gas Attilio Citterio lastra fotografica Spettro di Assorbimento dell’Idrogeno 29 nella Regione dell‘Ultravioletto (in Numeri d'onda (cm-1)) Limite Regione ricca di righe molto ravvicinate (non indicate) 109678 105292 102823 110000 82259 97492 100000 90000 80000 cm-1 Radiazione ultravioletta assorbita da atomi di idrogeno per il passaggio di un fascio di radiazioni (miscela di tutte le lunghezze d'onda nell’ultravioletto, nel visibile e nell’infrarosso) in un gas costituito da atomi di idrogeno. Attilio Citterio 30 Relazione di Rydberg 1 1 RH 2 2 n1 n2 n2 > n1 (numeri interi) RH = 109677.581 cm-1 (Costante di Rydberg) n1 = 1 n2 = 2 = 82259; n1 = 2 n2 = 3 = 15233 n1 = 1 n2 = 3 = 98492; n1 = 2 n2 = 4 = 20565 n1 = 1 n2 = 4 = 102823; n1 = 2 n2 = 5 = 23033 n1 = 1 n2 = = 109678; n1 = 2 n2 = = 27420 Serie Lyman Serie Balmer Attilio Citterio 31 Eccitazione e Ionizzazione Fotone (h) eccitazione eccitazione + - + + H H* ionizzazione H** ionizzazione + + (p) H+ Attilio Citterio (e) + e- Diagramma dei Livelli Energetici per l‘Atomo H 32 Energia 0 Lyman Balmer Paschen E - 4387 -6855 -12186 E E 5 3 4 3 -27420 E E E n= n=5 n=4 n=3 n=2 5 2 4 2 3 2 E 2 1 n=1 -109678 E (cm-1) 5E 1 3 1 E h c h 1 k = 13.59 eV·atomo-1 = 1312 kJ·mol-1 h = 6.6262 10-34 J·sec Attilio Citterio k n2
