Appunti esame Struttura della materia

Chimica – Struttura della materia

I tre principali macro ambiti

I tre principali macro ambiti sono:

• Meccanica, interazione tra corpi sulla base della loro massa
• Elettromagnetismo, interazione tra corpi sulla base della loro carica
• Termodinamica, interazioni in sistemi composti da un numero molto elevato di particelle

Distinzione tra particelle e onde

Particelle, dotate di massa ed eventualmente di carica.

Onde, si distinguono in onde elastiche di materia ed onde elettromagnetiche.

Onde elastiche di materia

Sono onde acustiche e vibrazioni che si propagano, o ma non nel suono. Parliamo di ultrasuoni, suoni e infrasuoni.

Onde elettromagnetiche

Sono date dall’abbinamento di un campo elettrico e un campo magnetico, non hanno bisogno di un mezzo per essere propagate. Moto oscillatorio sinusoidale in cui λ (lunghezza d’onda) è chiamata anche wave length.

Moto oscillatorio sinusoidale, a tempo fissato. Avendo un tempo fissato, la nostra lunghezza d’onda viene chiamata periodo di oscillazioni. In poche parole, λ la vediamo nello spazio mentre f la vediamo prendendo un punto nello spazio.

L’onda si sposa con velocità di propagazione v. Il numero di oscillazioni per unità di tempo in ogni punto si definisce frequenza f. v = fλ Frequenza f, velocità v e lunghezza d’onda λ sono legate da:

• Onde con grande lunghezza d’onda frequenza piccola
• Onde con piccola lunghezza d’onda frequenza grande

Onde meccaniche ("acustiche")

Onde di materia che si propagano in un mezzo elastico (non nel vuoto), per esempio onde sonore. La velocità di propagazione è data da: materiale rigido velocità di propagazione più elevata.

"Suono": sono onde acustiche in un determinato intervallo di frequenza. Regione di 1 Hz = f = [20 Hz – 20k1 s frequenza udibile Hz] (oltre sono ultrasuoni).

Effetto Doppler

Se una sorgente S con frequenza si muove con velocità e un ricevitore R si muove con velocità, detta la velocità di propagazione dell’onda, la frequenza percepita dal ricevitore è:

Il "muro del suono". Se la sorgente si muove con velocità uguale alla velocità del suono o superiore, si produce un fronte di pressione, onda d’urto, udibile come un boato.

Spettro elettro-magnetico

La velocità di propagazione del suono vale anche per le onde elettromagnetiche, la velocità di propagazione viene indicata con c. Lunghezza d’onda con λ < 400, λ > 700 ultravioletto infrarossi (frequenza più elevata) (bassa frequenza).

Effetto Doppler per la luce

Una sorgente luminosa monocromatica che si allontana/avvicina da/a un osservatore viene percepita con una frequenza minore/maggiore. La radiazione elettromagnetica emessa dalle galassie è spostata verso le frequenze basse, rosso: l’universo è in espansione.

Metodo scientifico

Ha messo in discussione le certezze dell’epoca e portato alla formulazione di nuove ipotesi e teorie in grado di interpretare e spiegare evidenze sperimentali.

Esperimenti inspiegabili della fisica classica

Tra i principali esperimenti inspiegabili della fisica classica: radiazione del corpo nero, effetto fotoelettrico e spettri di emissione di atomi.

Radiazione del corpo nero

Oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente, senza riflettere né trasmettere, apparendo quindi nero. Max Planck assume che l’energia elettromagnetica sia scambiata in pacchetti quanti indivisibili detti con valore proporzionale alla frequenza f.

È come se l’onda elettromagnetica si comportasse come un flusso di particelle senza massa ciascuna con energia. L’ipotesi spiega con successo i dati sperimentali e la costante di Planck h è ricavata di conseguenza.

Effetto fotoelettrico

Nel 1887 Hertz compie un esperimento inspiegabile. Elettroni sono emessi da un metallo quando illuminato con luce UV, ma non emessi elettroni se la radiazione elettromagnetica non supera una certa frequenza minima di soglia, ma aumentando l'intensità.

Nel 1905 Einstein assume che l’energia sia quantizzata e spiega i dati sperimentali. W si definisce funzione lavoro e indica l’energia necessaria per estrarre un elettrone dal metallo e il suo valore dipende dal metallo considerato. E è l’energia cinetica dell’elettrone estratto.

L’onda si comporta come una particella detta fotone con massa nulla a cui è associato un quanto di energia.

Spettri atomici

Gas riscaldati emettono radiazioni elettromagnetiche a determinate frequenze discrete dipendenti dallo specifico gas. La rappresentazione in funzione della frequenza produce caratteristici spettri a righe sia in emissione sia in assorbimento che identificano il particolare gas.

Atomi e struttura atomica

Nel 1897 dopo aver dimostrato che l’atomo è indivisibile, nel 1904 venne proposta la struttura atomica a panettone (gli elettroni carichi negativamente sono dispersi in un volume carico positivamente).

Nel 1911 si dimostrò che l’atomo ha una struttura in cui la massa è concentrata in quello che successivamente venne chiamato nucleo.

Nuova struttura atomica (1903): esistono orbite in cui gli elettroni non cedono o acquistano energia (livelli stazionari), i valori di energia corrispondenti a tali livelli sono quantizzati.

Lezioni 2

Stati di aggregazione della materia

Stato aeriforme: volume e forma del contenitore, energia di legame piccola. Un gas è un aeriforme caratterizzato da una temperatura critica inferiore alla temperatura ambientale.

Stato liquido: volume proprio e forma del contenitore, energia di legame più alta. Diminuendo la temperatura, un gas passa in fase liquida.

Stato solido: costituenti legati tra loro da forze molto intense. Sono deformabili applicando una forza elevata. Il solido reagisce con una deformazione che può essere elastica o plastica.

Nella regione elastica “elastico” indica che la deformazione c’è applicando lo stress. Togliendo lo stress la deformazione torna a zero.

Plasma: è un gas ionizzato costituito da un insieme di elettroni e ioni globalmente neutro.

Legami nei solidi

A elevata distanza tra atomi dominano forze attrattive, a piccola distanza dominano forze repulsive. Esiste una distanza di equilibrio alla quale le forze si annullano e l’energia potenziale ha un minimo negativo. Alle forze attrattive e repulsive si aggiunge il contributo dovuto all’agitazione termica.

• Legame ionico: un atomo perde uno o più elettroni in favore di un altro atomo e si genera un’attrazione tra ioni. (bassa conducibilità elettrica e termica)
• Legame covalente: elettroni messi in comune tra più atomi e si genera un’attrazione tra elettroni condivisi e nuclei (legame forte)
• Legame metallico: elettroni delocalizzati e si genera un’attrazione tra elettroni delocalizzati e ioni (elevata conducibilità elettrica e termica)

Definizioni strutturali dei solidi

• Materiali cristallini (monocristalli): ordine tridimensionale a lungo raggio, proprietà anisotrope (dipendenti dalla direzione)
• Materiali policristallini (policristallo): aggregati di monocristalli con ordine a corto raggio, proprietà isotrope (indipendenti dalla direzione)
• Materiali amorfi: disposizione disordinata di atomi, liquidi sottoraffreddati, proprietà isotrope

Strutture dei solidi

Le posizioni di equilibrio degli atomi possono essere descritte tramite il concetto di reticolo: un insieme di punti nello spazio definito da una configurazione fatta da un atomo o da un gruppo di atomi che si ripete nello spazio posizionata nei punti del reticolo si dice base.

Conduzione elettrica dei materiali

Per un filo di sezione A e lunghezza d:

Prendendo in esame la conducibilità σ o la resistività ρ = 1/σ è possibile distinguere tre classi di materiali.

• Conduttori (metalli): la conducibilità ρ è direttamente proporzionale al numero di portatori di carica disponibili per muoversi liberamente nel materiale sotto l’azione di un campo elettrico applicato
• Semiconduttori (silicio)
• Isolanti (plastiche)