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La Teoria Atomica
La struttura dell’atomo
10-10 m
10-14 m
Proprietà delle tre particelle subatomiche fondamentali
Carica Massa
Nome
(simbolo)
relativa assoluta
(C)
relativa
(uma)*
Assoluta
(g)
Posizione
nell’atomo
Protone
(p+)
1+ + 1.602 x 10-19 1.00727 1.67262 x 10-24 nucleo
Neutrone
(n0)
0 0 1.00866 1.67493 x 10-24 nucleo
Elettrone
(e-)
1- -1.602 x 10-19 0.00054858 9.10939 x 10-28 all’esterno
del nucleo
* l’unità di massa atomica (simbolo: uma) è uguale a 1.660540 x
10-24 g.
Thomson (1898-1903)
scoprì la prima particella
subatomica:
l’ELETTRONE
e determinò il rapporto
carica/massa dell’elettrone
studiando le scariche
elettriche in tubi di vetro in
cui era stato fatto un
moderato vuoto.
Primi esperimenti - Thomson
https://www.youtube.com/
watch?v=kBgIMRV895w
Primi esperimenti - Millikan
Millikan (1909) ha determinato la carica di un elettrone e indirettamente la
sua massa: 9.11*10-31Kg
Esperimento di Millikan http://www.youtube.com/watch?v=UFiPWv03f6g
http://www.youtube.com/watch?v=ajQEvtge0m0
Primi esperimenti - Rutheford
Produzione di particelle alfa Esperimento di Rutheford
Modello di Rutheford
Rutheford (1911) realizzò un
esperimento che spazzò via il
modello atomico di Thomson.
Scoprì il NUCLEO
La maggior parte dello
spazio di un atomo è vuoto!
http://www.youtube.com/watch?v=5pZj0u_XMbchttp://www.youtube.com/watch?v=kHaR2rsFNhg
Struttura dell’atomo – riassunto dei primi esperimenti
Millikan (1909) determinò la carica di un elettrone (1.602
• 10-19 C) e indirettamente la sua massa (9.11 • 10-31 Kg)
Thomson (1898-1903) scoprì l’ELETTRONE e
determino’ il rapporto carica/massa dell’elettrone
studiando le scariche elettriche in tubi di vetro in cui
era stato fatto un moderato vuoto.
Rutheford (1911) scoprì il NUCLEO e realizzo’ un
esperimento che spazzo via il modello atomico di
Thomson. La maggior parte dello spazio di un atomo
è vuoto!
Rutheford calcolò la carica nucleare con notevole accuratezza, ma
non riuscì a spiegare tutta la massa dell’atomo.
Chadwick (1932) scoprì la terza particella subatomica: il
NEUTRONE
Luce e struttura atomica
E’ necessario definire la disposizione degli
elettroni nell’atomo
Misurare delle distanze è impossibile su scala
atomica (10-9 m)
Un approccio è misurare l’ENERGIA, non la
posizione di particelle atomiche
Assorbimento o emissione di luce da parte
dell’atomo = SPETTROSCOPIA
Luce = Radiazione Elettromagnetica
La radiazione elettromagnetica è un campo elettrico oscillante con le
caratteristiche di un’onda.
La lunghezza d’onda l è la distanza tra due creste dell’onda.
La frequenza n della radiazione è il numero di cicli dell’onda per
secondo.
L’ampiezza A è l’altezza dell’onda.
Nel vuoto la radiazione elettromagnetica si propaga alla velocità della
luce (c = 2.998 × 108 m/s), qualunque siano i suoi valori di
lunghezza d’onda l e frequenza n.
l × n = c
Perciò una radiazione con frequenza alta ha una lunghezza
d’onda piccola e viceversa.
Onde elettromagnetiche
Regioni dello spettro elettromagneticoLa radiazione elettromagnetica ha un intervallo di lunghezze d’onda. L’intero intervallo viene definito come spettro elettromagnetico
Spettri di righe atomici
Gli oggetti solidi emettono radiazioni elettromagnetiche in
un intervallo di lunghezze d’onda, producendo uno
spettro continuo di luce emessa.
Se sottoposti ad una carica elettrica, gli atomi in fase
gassosa emettono radiazioni elettromagnetiche a solo
poche specifiche lunghezze d’onda, producendo
uno spettro di righe di luce emessa.
Ciascun elemento in fase gassosa emette luce a
particolari lunghezze d’onda producendo uno spettro di
linee caratteristico.
Emissione dell’idrogeno
Spettro di emissione e di assorbimento dell’idrogeno atomico
Primi esperimenti - Bohr
Spettro di assorbimento dell’idrogeno
Equazione di Planck
L’energia della luce è in piccoli pacchetti chiamati fotoni. L’equazione di Planck correla l’energia di un fotone alla frequenza della luce
Equanto = h × nradiazione
h = costante di Planck = 6.626 10-34 J.s
In termini di lunghezza d’onda:
Equanto = hc/l
Perciò onde di maggiore lunghezza d’onda hanno minore energia.
Gli oggetti emettono continuamente radiazioni
elettromagnetiche in un ampio intervallo di lunghezze d’onda
Il modello di Bohr per l’atomo di idrogeno
Il fatto che gli atomi emettono luce solo di definite
lunghezze d’onda implica che:
• L’atomo ha soltanto certi livelli energetici permessi,
chiamati stati stazionari. L’energia è quantizzata.
• L’atomo non irraggia energia mentre è in uno dei suoi
stati stazionari.
• L’atomo compie una transizione da uno stato
stazionario ad un altro (l’elettrone si trasferisce in
un’altra orbita) soltanto assorbendo o emettendo un
fotone la cui energia uguale alla differenza di energia
tra i due stati.
Atomo di Bohr: energia quantizzata
Il modello di Bohr. Riepilogo
L’energia dell’atomo è quantizzata, perché il moto dell’elettrone è limitato ad orbite fisse.
L’elettrone può trasferirsi da un’orbita all’altra solo se l’atomo assume o emette un fotone la cui energia è uguale alla differenza di energia tra i due livelli energetici (orbite).
Si generano spettri di righe perché queste variazioni di energia corrispondono a fotoni di specifiche lunghezze d’onda.
Il modello di Bohr è essenzialmente un modello a un solo elettrone.
Spettri di emissione e di assorbimento
Spettri atomici di emissione
Emissione-assorbimento
litio rosso671 (rosso); 610 (arancio)
sodio giallo590 (giallo), 589 (giallo)
potassio Rosso-violetto770 (rosso), 766 (rosso); 405 (violetto),
404 (violetto)
cesio Blue-violetto 459 (blue), 455 (blue)
Elemento Colore fiammaLunghezza d’onda in
nm
Spettro di assorbimento dell’idrogeno
Proprietà ondulatorie dell’elettrone
Il comportamento degli elettroni negli atomi
polielettronici è in accordo con il principio che l’elettrone
abbia sia proprietà corpuscolari che ondulatorie.
L’equazione d’onda di ogni particella in movimento è
data dall’equazione di de Broglie
La lunghezza d’onda di oggetti macroscopici,
osservabili, è troppo piccola per essere misurata.
La lunghezza d’onda dell’elettrone è simile al diametro
dell’atomo.
l=h
mv
lunghezza d'onda
massa
velocità
costante di Planck
Werner Heisenberg
(1901-1976)
Natural science, does not
simply describe and
explain nature; it is part
of the interplay between
nature and ourselves.
Principio di indeterminazione di Heisemberg
Non è possibile conoscere simultaneamente la posizione e l’energia dell’elettrone
L’incertezza nella posizione dell’elettrone è data da:
La costante di Planck è molto piccola perciò l’incertezza nella posizione è molto grande.
Perciò l’elettrone non si muove in un’orbita ad una distanza fissa dal nucleo.
x . mv > h/4
costante di Planck
Incertezza nel momento
dell'elettrone
Incertezza nella
posizione dell'elettrone
Principio di indeterminazione
https://www.youtube.com/watch?v=a8FTr2qMutA
La quantizzazione
dell’energia non è più un
postulato ma una
conseguenza della natura
ondulatoria dell’elettrone
https://www.youtube.com/watch?v=CGiiSlMFFlI https://www.youtube.com/watch?v=wvJAgrUBF4w
Riassunto modelli atomici
https://www.youtube.com/watch?v=IO9WS_HNmyg
Teoria atomica moderna
Gli elettroni non si muovono in orbite fisse
intorno al nucleo
Probabilità di trovare l’elettrone in una regione di
spazio compresa entro il livello energetico
Questa probabilità è definita ORBITALE
ATOMICO
La densità elettronica è proporzionale alla
probabilità di trovare l’elettrone in un dato punto,
ad un dato istante.
L’equazione di Schrödinger e la funzione d’onda
L’equazione di Schrödinger è il modello matematico degli
elettroni di un’onda tridimensionale. Le soluzioni dell’equazione
di Schrödinger sono una serie di relazioni matematiche
conosciute come funzioni d’onda (y) che descrivono il
comportamento di un elettrone in un atomo di H.
L’energia dell’elettrone è data da En = -Rhc/n2.
n è un numero positivo intero associato con y.
y2 descrive la probabilità di trovare l’elettrone in una posizione
intorno al nucleo.
Un orbitale è la regione dove è massima la probabilità di trovare
l’elettrone (compresa tra il 90 e il 95%).
L’equazione di Schrödinger e la funzione d’onda
L’equazione di Schrödinger è il modello matematico degli elettroni di
un’onda tridimensionale.
In forma semplificata l’equazione di Schrödinger si scrive:
H Y = E Y
in cui:
E = energia dell’atomo.
Y = funzione d’onda, descrizione matematica del moto della materia-
onda associata all’elettrone in termini di tempo e di posizione.
H = operatore hamiltoniano, un insieme di operazioni matematiche
che, effettuate su una funzione Y, dà uno stato energetico
permesso.