Appunti sul secondo parziale di Didattica della fisica

Seconda parte programma di fisica Federica Basta

Fisica – seconda parte

2022/2023

Indice

L’atomo .......................................................................................................................................................... 3

La tavola periodica degli elementi ............................................................................................................. 4

Protoni, neutroni ed elettroni ................................................................................................................... 5

La ionizzazione ........................................................................................................................................... 6

Gli elettroni nei metalli .............................................................................................................................. 7

Neutroni e campo elettrico ....................................................................................................................... 8

Il campo elettrico ........................................................................................................................................... 9

Campo di due cariche puntiformi ............................................................................................................10

Elettrizzazione per attrito ........................................................................................................................11

Materiali isolanti e conduttori .................................................................................................................12

La radioattività.............................................................................................................................................13

Nuclei instabili..........................................................................................................................................14

La datazione al radiocarbonio .................................................................................................................15

Considerazioni etiche sulla radioattività .................................................................................................16

PET ...........................................................................................................................................................17

(Tomografia a emissione di positroni) .....................................................................................................17

Radiografia a neutroni e radiografia a raggi X .........................................................................................18

La forza magnetica ......................................................................................................................................19

Le linee di un campo magnetico ..............................................................................................................20

Il campo magnetico terrestre ..................................................................................................................21

Lo spettro elettromagnetico ........................................................................................................................22



La relazione tra f e ................................................................................................................................23

La luce: un’onda o una particella? ...........................................................................................................24

Riflessione e rifrazione.............................................................................................................................25

L’indice di rifrazione .................................................................................................................................26

Diffusione .................................................................................................................................................27

La luce visibile ..........................................................................................................................................28

Radiazione e fotone .................................................................................................................................28

L’arcobaleno ............................................................................................................................................29

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Il doppio arcobaleno ................................................................................................................................30

Luce e materiali ........................................................................................................................................31

“Ci possiamo specchiare in una parete?” ................................................................................................31

Fenomeni naturali ........................................................................................................................................32

Il tramonto e l’aurora boreale .....................................................................................................................32

Per la progettazione.....................................................................................................................................33

Il modello 5E

.................................................................................................................................................33

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L’atomo

L’atomo è la particella più piccola di un elemento. Esso non subisce trasformazioni a livello chimico, ma

può subirle a livello fisico (come ad esempio eccitazione, disintegrazione, fissione...). L’atomo è composto

da un nucleo in cui sono presenti, concentrate, delle particelle subatomiche che possono essere cariche

positivamente o elettricamente neutre. Sono presenti, poi, particelle cariche negativamente.

Le particelle cariche positivamente sono i protoni, quelle cariche negativamente sono gli elettroni e quelle

neutre sono i neutroni. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo su livelli energetici distinti dal resto.

Il numero di protoni (numero atomico, Z) è diverso per ogni elemento. È uguale, però, al numero di

elettroni. L’atomo, infatti, risulta elettricamente neutro (gli elementi, quindi, solitamente hanno carica

nulla).

Se, al numero di protoni Z, si aggiunge il numero di neutroni n si ottiene il numero di massa A.

=+ 3

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La tavola periodica degli elementi

Nella tavola periodica ci sono tutti gli elementi noti, identificati dal numero atomico Z (che coincide con il

numero di protoni nel nucleo). Questo numero è univoco per ogni elemento→ se due elementi hanno lo

stesso Z sono identici.

Gli elementi sono ordinati in base a Z, la tabella infatti parte dall’idrogeno che ha Z=1, segue l’elio con

Z=2.

Due elementi con lo stesso Z possono differire solo per il numero di massa (A), avendo quindi un diverso

numero di protoni; in quel caso sarebbero isotopi dello stesso elemento.

Un esempio è l’idrogeno, H. L’idrogeno ha un solo protone e nessun neutrone. Due isotopi dell’idrogeno

sono: - Il deuterio, con un protone ed un neutrone;

- Il trizio, con un protone e due neutroni. 4

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Protoni, neutroni ed elettroni

I protoni, i neutroni e gli elettroni sono le tre particelle fondamentali che costituiscono la materia:

1. Protoni: I protoni sono particelle cariche positivamente che si trovano nel nucleo degli atomi.

(−27)

1,67 × 10

Hanno una massa approssimativa di kg, che è circa 1.836 volte la massa di un

(−19)

× 10

elettrone. La carica elettrica di un protone è di +1 unità elementare di carica (1,6 C).

Ogni atomo ha un numero di protoni specifico, chiamato numero atomico, che determina la sua

identità chimica. Ad esempio, l'idrogeno ha un protone, l'elio ne ha due e così via.

2. Neutroni: I neutroni sono particelle neutre, prive di carica elettrica, che si trovano nel nucleo degli

(−27)

1,67 × 10

atomi insieme ai protoni. Hanno una massa simile a quella dei protoni, di circa kg.

La presenza dei neutroni contribuisce alla stabilità del nucleo atomico, fornendo una forza

nucleare attrattiva che bilancia le forze repulsive tra i protoni. Il numero di neutroni in un nucleo

può variare, creando isotopi diversi dello stesso elemento.

3. Elettroni: Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che orbitano attorno al nucleo degli

atomi. Hanno una massa molto più leggera rispetto a protoni e neutroni, con una massa

1

(−31)

9,11 × 10

approssimativa di kg, che è circa della massa di un protone. La carica elettrica

1836 (−19)

× 10

di un elettrone è di -1 unità elementare di carica (−1,6 C). Gli elettroni sono

responsabili delle proprietà chimiche e delle interazioni elettriche tra gli atomi. Il numero di

elettroni in un atomo determina le sue proprietà chimiche e l'organizzazione degli elettroni

determina la sua struttura elettronica.

In un atomo neutro, il numero di protoni è uguale al numero di elettroni, creando un bilancio di carica

elettrica. Tuttavia, se un atomo guadagna o perde elettroni, diventa uno ione carico positivamente o

negativamente, rispettivamente. 5

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La ionizzazione

La ionizzazione è un processo in cui gli atomi o le molecole acquistano o perdono uno o più elettroni,

diventando ioni. Un atomo o una molecola neutra diventa un catione se perde uno o più elettroni, oppure

diventa un anione se acquista uno o più elettroni.

La ionizzazione può avvenire in diversi contesti. Ad esempio, può essere causata da collisioni con particelle

ad alta energia, come avviene nei raggi cosmici o nelle reazioni nucleari. Inoltre, può essere indotta da

campi elettrici intensi, come nei tubi a vuoto utilizzati nei dispositivi elettronici. Inoltre, alcuni processi

chimici possono provocare la ionizzazione, come nella dissociazione degli acidi o delle basi in soluzione

acquosa.

La ionizzazione negativa si riferisce specificamente al processo in cui un atomo o una molecola acquista

un elettrone in modo tale da diventare un anione negativo.

In altre parole, un elettrone esterno viene catturato dall'atomo o dalla molecola, generando una carica

negativa. Questo può avvenire attraverso reazioni chimiche o interazioni con particelle cariche, come ad

esempio negli ambienti di ionizzazione negativa utilizzati in certi dispositivi elettronici.

La ionizzazione negativa è un fenomeno importante in molti contesti. Ad esempio, nei dispositivi di

rivelazione delle radiazioni, gli atomi o le molecole dei materiali rilevatori possono subire ionizzazione

negativa quando vengono attraversati da particelle cariche, come raggi X o particelle alfa. Questo

processo crea una corrente di cariche negative che può essere misurata per rilevare la presenza di

radiazioni. atomo neutro

ione positivo ione negativo

(catione) (anione) 6

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Gli elettroni nei metalli

Nei metalli, gli elettroni sono cariche libere di muoversi. Nei solidi metallici, gli atomi di metallo formano

una struttura cristallina in cui gli elettroni di valenza (gli elettroni più esterni) sono debolmente legati ai

loro nuclei atomici. Questo significa che gli elettroni di valenza possono spostarsi liberamente attraverso

il reticolo cristallino del metallo.

Gli elettroni liberi nei metalli sono responsabili delle proprietà elettriche dei metalli, come la conducibilità

elettrica. Quando viene applicato un campo elettrico esterno a un metallo, gli elettroni liberi rispondono

a questa forza e si muovono lungo la direzione del campo. Questo flusso di elettroni costituisce la corrente

elettrica nei metalli.

È importante sottolineare che gli elettroni liberi nei metalli non sono completamente separati dagli atomi

di metallo, ma sono considerati come un "mare di elettroni" che circonda gli ioni positivi del metallo. Gli

elettroni liberi sono distribuiti in modo delocalizzato e possono essere condivisi da molti atomi nel

materiale.

La presenza di elettroni liberi nei metalli è anche alla base di altre proprietà dei metalli, come la loro

capacità di assorbire e riflettere la luce, che conferisce loro la lucentezza e la capacità di condurre il calore.

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Neutroni e campo elettrico

Un neutrone non interagisce direttamente con un campo elettrico. I neutroni sono particelle

elettricamente neutre, il che significa che non hanno una carica elettrica. Poiché un campo elettrico è

generato da cariche elettriche, come particelle cariche o oggetti carichi, il neutrone non viene influenzato

direttamente da un campo elettrico.

Tuttavia, i neutroni possono interagire indirettamente con un campo elettrico attraverso le loro

interazioni con altre particelle cariche. I neutroni sono particelle subatomiche che sono influenzate dalla

forza nucleare forte e dalla forza nucleare debole, ma non dalla forza elettromagnetica. La forza nucleare

forte tiene insieme i nucleoni (protoni e neutroni) all'interno del nucleo atomico, mentre la forza nucleare

debole è coinvolta nel decadimento beta dei neutroni.

Quando un neutrone si avvicina a un campo elettrico, l'interazione avvie