Scuole secondarie di secondo grado SPETTROSCOPIA

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Scuole secondarie di secondo grado SPETTROSCOPIA. 22 aprile 2013. Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it. Niels Bohr. LA VISIONE “CLASSICA” DEL MONDO. il quadro concettuale verso la fine dell’800. - PowerPoint PPT Presentation

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Scuole secondarie di secondo grado

SPETTROSCOPIA

22 aprile 2013

Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.Niels Bohr

LA VISIONE CLASSICA DEL MONDOLo spazio in cui viviamo tridimensionale; il movimento scandito dal tempo. Gli intervalli spaziali e temporali sono invarianti rispetto al sistema di riferimento in cui vengono misurati.

Luniverso e omogeneo e isotropo; il tempo omogeneo.

I sistemi fisici elementari vengono descritti attraverso il formalismo delle particelle o delle onde.

Le variabili che descrivono i sistemi sono continue.

il quadro concettuale verso la fine dell800

MECCANICA CLASSICAdescrive il movimento dei corpi materiali come determinato dalle forze che agiscono su di essi, che si manifestano quali attrazioni o repulsioni mutue tra particelle:caduta dei gravi moto dei pianeti processi termici e i moti disordinati dei costituenti della materia.ELETTROMAGNETISMOdescrive i fenomeni elettrici e magnetici basandosi sul concetto di campo elettromagnetico:-fenomeni elettrici e magnetici -luce.LA VISIONE CLASSICA DEL MONDOil quadro concettuale verso la fine dell800GALILEONEWTONBOLTZMANNMAXWELL

IL CROLLO DELLA VISIONE CLASSICA DEL MONDOFase prequantistica: 1900-1925Alcune evidenze sperimentali difficili da interpretare nei termini della fisica classica portarono ad una riformulazione delle teorie consolidate.SPETTRO DEL CORPO NERO(PLANCK, 1900)La radiazione emessa da un corpo caldo contraddice le previsioni dellelettromagnetismo classicoEFFETTO FOTOELETTRICO (EINSTEIN, 1905)La luce pu avere propriet difficili da spiegare col modello ondulatorio Gli atomi sono stabili ed emettono luce solo a determinate lunghezze donda STUTTURA DELLATOMO e SPETTRI ATOMICI (BOHR, 1913) Le particelle possono avere propriet difficili da spiegare col modello corpuscolare ONDE DI MATERIA(DE BROGLIE, 1924)

LA NATURA DELLA LUCEDibattito storico: la luce fatta di onde o di particelle?- XVII secolo: Newton particelle- XIX secolo: Fresnel, Maxwell... onde- ~ 1900: Planck, Einsteinparticelle- ~ 1920: Meccanica quantistica ?- ~ 1950: Elettrodinamica quantistica ?- ~ 1960: Ottica quantistica ?

Young (~1800): interferenza, le onde di luce possono esseresommate o sottratte onda sinusoidaleFresnel (1814-20): teoria matematica di diffrazione e interferenza onda scalareFresnel-Arago (1820-30): polarizzazione onda vettoriale trasversa Faraday-Maxwell (1850-64): la luce unonda elettromagnetica con e

TEORIA ONDULATORIAXIX secolo

l = lunghezza dondan = frequenzac = velocit di propagazionenel vuoto c 3 108 m/sLE ONDE ELETTROMAGNETICHEvariazione del campo elettricovariazione del campo magneticounonda elettromagnetica a singola frequenza mostra una variazione sinusoidale nello spazio dei campi elettrico e magneticole onde elettromagnetiche trasportano energia sotto forma di un campo elettromagnetico propaganteln = c

LO SPETTRO DEL CORPO NEROCorpo nero: assorbitore perfetto: corpo che assorbe tutta la radiazione incidente su di esso. Ben rappresentato da un foro in una cavit (la radiazione che entra non esce pi)

Irraggiamento termico: ogni corpo allequilibrio termico ad una temperatura T>0 emette radiazione elettromagnetica a tutte le frequenze. Contemporaneamente assorbe parte della radiazione incidenteInterpretazione classica: la materia composta da particelle cariche in moto accelerato a causa dellagitazione termica. Le particelle cariche irraggiano: pi loggetto caldo, pi la vibrazione veloce e quindi la frequenza alta

LO SPETTRO DEL CORPO NEROOsservazioni sperimentali: lo spettro del corpo nero, ovvero lintensit della radiazione emessa (potenza per unit di superficie) al variare della frequenza o della lunghezza donda, ha un andamento indipendente dalla forma dal tipo di materiale della cavit (Kirchhoff) e soddisfa le seguenti leggi:

Legge di Wien (1893): il picco dello spettro di emissione aIpotesi classica (Rayleigh-Jeans): il corpo nero un insieme di oscillatori che possono assumere qualsiasi frequenza.

lo spettro diverge al diminuire di l: catastrofe ultravioletta.

Legge di Rayleigh-Jeans (1900-1905):Legge di Stefan-Boltzmann (1879-1884): lintensit totale dipende dalla temperatura

riproduce i dati sperimentali per h ~ 6.626 10-34 Js = 4.136 10-15 eVs

Ipotesi quantistica (Planck, 1900): il corpo irraggiante emette e assorbe energia elettromagnetica in pacchetti di energia, quantit discrete dette quanti ; lenergia di un quanto proporzionale alla frequenza della radiazione E = hn.

Il calcolo classico di Rayleigh-Jeans accurato nel limite l 1 o h 1

Legge di Planck:

APPARATO SPERIMENTALE

A, B dipendono dal materiale del prismaqa0 dipende dal materiale del filamento R0 e la resistenza alla temperatura T0Misuriamo I (l) per una lampada ad incandescenza al variare della temperatura utilizzando un prisma, un sensore di luce e un sensore di rotazione.

qLuce solare a mezzogiorno : T = 5400 K lMAX = 537 nmLuce d' ambiente in pieno giorno (luce diurna) : mediamente T ~ 6500 K lMAX = 446 nmLuce del cielo nuvoloso : T ~ 7000 K lMAX = 414 nmLuce del cielo parzialmente nuvoloso : T ~ 8000 - 10000 K lMAX = 362 290 nmLuce del cielo sereno : T ~ 10000 - 18000 K lMAX = 161 - 362 nm (il valore pi elevato per il cielo di colore azzurro intenso a nord)Luce di una candela : T ~ 1000 K lMAX = 2898 nm Lampada domestica a incandescenza da 40 W : T = 2650 K lMAX = 1093 nmLampada domestica a incandescenza da 75 W : T = 2820 K lMAX = 1028 nmLampada domestica a incandescenza da 200 W : T = 2980 K lMAX = 972 nm Lampada Photoflood da 500 W per uso fotografico : T = 3400 K lMAX = 852 nm Lampada fluorescente extracalda : T = 2700 K lMAX = 1073 nm (la luce appare di colore giallo molto gradevole e riposante)Lampada fluorescente warm white (bianco caldo) : T = 3000 K lMAX = 966 nm (la luce appare di colore bianco - giallastro)Lampada fluorescente white (bianco neutro) : T = 3500 K lMAX = 928 nm (la luce appare di colore bianco tendente, in modo molto lieve, al bianco sporco verdastro)Lampada fluorescente cool white (bianco freddo) : T = 4000 K lMAX = 724 nm (la luce appare di colore bianchissimo)Lampada fluorescente luce normalizzata (D50) : T = 5000 K lMAX = 580 nm (la luce madantoria per i processi di stampa e pre - stampa)Lampada fluorescente daylight (diurna) : T = 6500 K lMAX = 446 nm (la luce appare di colore bianco argenteo intensissimo)Lampada fluorescente skywhite (superdiurna) : T = 8000 K lMAX = 362 nm (la luce appare di colore argenteo quasi azzurrino)Bianco caldo tra i 3000 e i 3500 K, bianco neutro tra i 3500 e i 4500 K, bianco freddo tra i 4500 e i 7000 K. Si ritiene, inoltre, che il bianco puro sia collocato intorno ai 6000 K.

14Alla fine del 800, lidea che la materia fosse costituita da atomi era utilizzata in fisica e chimica ma non ancora universalmente accettata (critiche di Mach e Ostwald). Non cera nessuna indicazione sperimentale, per cui era considerata solo come un modello interpretativo, specialmente per le reazioni chimiche (Leggi di Dalton).Conferme definitive:Moto browniano (Einstein, 1905): moto erratico e casuale di particelle di polline in sospensione in un liquido (Brown, 1827) causato dai continui urti della particella con gli atomi del liquido in agitazione termica. Le osservazioni suggerivano atomi con un raggio dellordine di 10-10 m.Scoperta dellelettrone (Thomson, 1898).Esperimento Rutherford (1911): particelle a (nuclei di elio) emesse ad alta energia verso una lamina doro. La presenza di particelle deviate a grandi angoli suggerisce che la carica positiva sia concentrata in una regione molto piccola (10-15 m) dellatomo, il nucleo.LA STRUTTURA DELLA MATERIA14

MODELLI ATOMICIRUTHERFORD (1909)SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICOStudiando gli urti di atomi doro con particelle alfa (di carica +2), Ritherford si rese conto che la carica positiva doveva essere concentrata in un volume molto piccolo dellatomoMODELLO PLANETARIOIn un atomo gli elettroni orbitano attorno ad un condensato di carica positiva THOMPSON (1898)

In un atomo gli elettroni sono dispersi in una nube di carica positiva uniforme, generata dai protoniFacendoli interagire con un campo elettrico, Thomson dimostr che i raggi catodici erano particelle cariche negativamente (elettroni) e ne misur il rapporto carica/massa. Appur anche lesistenza di altre particelle, di carica opposta e di massa molto maggiore (protoni).SCOPERTA DELLELETTRONE E DEL PROTONEMODELLO A PANETTONE

BOHR (1913)Gli elettroni ruotano attorno al nucleo descrivendo solo alcune orbite privilegiate seguendo su tali orbite le leggi della fisica classica. Su queste orbite, lelettrone non irradia: le orbite sono quindi stabili. Lemissione o lassorbimento di luce corrispondono a un salto quantico fra due orbite stazionarie.CRITICITA DEL MODELLO PLANETARIO

Secondo le leggi della dinamica Newtoniana e dellelettromagnetismo classico, il moto dellelettrone il risultato dellequilibrio tra forza centrifuga e forza di attrazione elettrostatica:Poich lelettrone soggetto ad una accelerazione centripeta, come ogni carica in moto accelerato perde energia emettendo radiazione e alla fine precipita sul nucleo: latomo instabile! Lenergia di ogni orbita dipende solo dagli elettroni perch i nuclei stanno fermiMODELLI ATOMICI

Modello planetario (Rutherford, 1909): latomo costituito da un nucleo pesante di carica positiva e da elettroni negativi leggeri che gli orbitano attorno.

IL MODELLO ATOMICO E LE RIGHE SPETTRALIConseguenze secondo la fisica classica: qualunque orbita ellittica dovrebbe essere consentita gli elettroni, essendo soggetti a un moto accelerato, dovrebbero irraggiare e cadere nel nucleo lo spettro dellirr