Lezione di Chimica sulla radioattività e processi nucleari

ONDE ELETTROMAGNETICHE

• Le onde elettromagnetiche sono una forma di energia che si propaga nello spazio

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con una velocità che nel vuoto è di 3x10 m/. Tale velocità si indica con c e si definisce

«velocità della luce».

• Comprendono la luce visibile e le radiazioni invisibili (onde radio, raggi UV, raggi IR,

raggi X e raggi y).

• Queste forme di radiazione trasferiscono energia da una regione all’altra dello

spazio.

• Sono caratterizzate da variazioni periodiche (di tipo sinusoidale) tra un campo

elettrico (E) ed un campo magnetico (B), perpendicolari tra loro e la cui intersezione

coincide con la direzione di propagazione dell’onda.

• Si propagano nello spazio circostante in tutte le direzioni con movimento

ondulatorio.

• AMPIEZZA (α): Altezza dell’onda rispetto all’asse orizzontale centrale. Il quadrato di

tale ampiezza determina l’intensità, ossia la brillantezza, della radiazione.

• PERIODO (t): Tempo impiegato dall’onda elettromagnetica per compiere

un’oscillazione completa. Intervallo di tempo necessario perché il fenomeno

ondulatorio si ripeta nello stesso modo (s).

• FREQUENZA (v): Numero di oscillazioni complete compiute dalla radiazione in un

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secondo (s o hertz).

• LUNGHEZZA D’ONDA (Λ): Spazio percorso dall’onda elettromagnetica nel tempo di

un periodo. Distanza fra due creste consecutive dell’onda (m o Å). E’ l’inverso della

frequenza.

• VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE: Distanza percorsa dall’onda nell’unità di tempo.

C(m/s) = Λ (m) x v (1/s)

Che cosa dice questa equazione?

➢ Se la lunghezza d’onda è molto piccola, per un dato punto passerà un grandissimo

numero di oscillazioni complete;

➢ Se è lunga, la luce viaggerà sempre alla velocità c, ma per lo stesso punto passerà

un numero minore di oscillazioni complete.

Una lunghezza d’onda piccola corrisponde a una radiazione di frequenza

elevata e viceversa. SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Le diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica corrispondono alle

diverse regioni dello spettro elettromagnetico.

- I nostri occhi percepiscono la radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda

compresa tra 700 nm (luce rossa) e 400 nm (luce violetta), chiamata luce visibile.

- la frequenza della luce visibile ne determina il colore. La luce bianca, che comprende

quella solare, è una miscela di tutte le lunghezze d’onda della luce visibile.

VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE delle ONDE ELETTROMAGNETICHE

Sulla base di calcoli teorici, Maxwell concluse che la velocità di propagazione delle

onde elettromagnetiche nel vuoto fosse di circa 300.000 km/s, pari cioè alla velocità

della luce nel vuoto.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche dipende dal mezzo nel quale

si propagano: nel vuoto vale 300.000 km/s, mentre nell'aria diminuisce dell'1% circa e

nel vetro si riduce a circa 1.108 m/s.

La luce rappresenta un particolare tipo di onda elettromagnetica. Come gli altri tipi di

onde, anche quelle elettromagnetiche sono soggette ai fenomeni tipici, come la

riflessione, la rifrazione, la diffrazione e l'interferenza, e non comportano

trasporto di materia ma di energia: si tratta di energia elettromagnetica o radiante.

DIFFRAZIONE

Deviazione della traiettoria di propagazione delle onde quando queste incontrano un

ostacolo (es. fenditure) sul loro cammino.

È tipica di ogni genere di onda, come il suono, le onde sulla superficie dell'acqua o

le onde elettromagnetiche come la luce o le onde radio.

Per poter osservare cosa succede quando una radiazione elettromagnetica colpisce

una particella possiamo utilizzare un esempio nel mondo macroscopico: Una boa che

viene colpita dalle onde del mare comincia a muoversi e ad oscillare. L’ampiezza delle

oscillazioni dipende dall’ampiezza delle onde che arrivano.

Mentre per il mondo microscopico usiamo l’effetto fotoelettrico:

Quando un’onda elettromagnetica viene inviata su un materiale, dal materiale stesso

fuoriescono degli elettroni.

Gli elettroni possono essere comparati ad una barca che galleggia nel mare: se le onde

che arrivano sono abbastanza forti, riescono a sollevarla fino a buttarla sul molo.

L’onda trasferisce una certa quantità di energia alla barca, più ampie sono le

oscillazioni, più grande è l’energia trasferita.

Quando gli elettroni vengono investiti da un’onda elettromagnetica si osserva che:

- fuoriescono con una ben definita velocità.

- se aumentiamo l’intensità dell’onda, gli elettroni non fuoriescono con una velocità

maggiore; possono aumentare la loro concentrazione, ma la velocità e l’energia

rimangono le stesse.

- Ogni corpo solido, a qualunque temperatura, emette radiazioni a spettro continuo,

invisibili a temperatura ordinaria perché le loro lunghezze d’onda cadono

nell’infrarosso.

- Aumentando la temperatura, esse diventano visibili (cadono nello spettro visibile) ed

assumono un colore diverso (rosso, giallo, verde, blu, violetto) all’aumentare della

temperatura. TEORIA QUANTISTICA DI PLANCK (1901)

▪ L’energia (E) emessa o assorbita dalla materia è legata alle frequenze di vibrazione

permesse per questi piccoli oscillatori dalla relazione: E = hv

➢ La materia è in grado di emettere o assorbire l’energia in modo discontinuo, per

quantità finite (discrete).

➢ La quantità di questa energia deve sempre essere un multiplo intero della quantità

elementare, indivisibile di energia E chiamata da Plank “quanto di energia”.

Le particelle, vibrando, emettono radiazioni elettromagnetiche i cui valori di energia

sono discreti (quanti): corrispondono alla frequenza stessa o a suoi multipli interi. E

= nhv

L’atomo stesso può contenere soltanto pacchetti di energia (quanti). L’energia di un

atomo è quantizzata: ha una natura discreta e non continua.

ALBERT EINSTEIN (1905): TEORIA FOTONICA

La luce non è fatta di onde, ma di particelle. Quando queste particelle di luce

(fotoni) urtano con un elettrone trasferiscono tutta la loro energia.

➢ Una volta fissata la lunghezza d’onda, tutte le particelle che costituiscono il fascio

luminoso hanno la stessa energia.

➢ Un fascio di luce più intenso (che trasporta più energia) è un fascio costituito da un

numero maggiore di fotoni.

• La luce ha proprietà corpuscolari: particelle «prive di massa» (fotoni)

corrispondenti a pacchetti di energia;

• L’energia di ogni fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione.

• La radiazione elettromagnetica è costituita da pacchetti di energia (fotoni).

La luce in realtà è qualcosa di molto diverso da quello che ci possiamo immaginare, il

suo comportamento è duale: DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO

Tutte le forme di energia (elettrica, meccanica, acustica, ecc…) sono quantizzate, cioè,

possono essere assorbite o liberate dalla materia solo in modo discontinuo,

per mezzo di quanti di energia (Teoria quantistica di Planck).

In particolare, per le onde elettromagnetiche, il quanto di energia luminosa

viene chiamato quanto di luce o fotone e contiene l’energia elementare

indivisibile E data da E = hv (Teoria fotonica di Einstein).

Leggi della MECCANICA QUANTISTICA

ERWIN SCHRÖDINGER (1926): Dimostrò che le leggi della meccanica quantistica

possono essere utilizzate per caratterizzare il moto degli elettroni.

La teoria quanto-meccanica moderna descrive la disposizione degli elettroni in un

atomo in funzione della loro energia (proprietà più importante per un elettrone).

MODELLO ATOMICO DI BOHR (1913)

1) Ogni elettrone ha a disposizione soltanto determinate orbite circolari per muoversi

(stati stazionari). Ciascuna di queste orbite ha una determinata energia;

2) quando l’elettrone si trova in uno di questi stati stazionari non perde energia e non

emette radiazioni;

3) se l’atomo viene eccitato, l’elettrone passa da uno stato a più bassa energia ad uno

a più alta energia per assorbimento di energia sottoforma di quanti di Planck (E = hv);

4) quando l’elettrone torna nel suo stato iniziale, cede una quantità di energia (hv) pari

alla differenza di energia delle orbite attraverso cui esso è saltato;

5) non sono ammessi salti parziali: l’elettrone non si può trovare in una posizione

intermedia tra le due orbite.

Un elettrone può: - assorbire un fotone e salire su un gradino più alto - emettere un

fotone e scendere su un gradino più basso l’elettrone non può mai: - stare in una

posizione intermedia tra i due gradini.

Gli atomi assorbono o emettono radiazioni solo di un limitato numero di frequenze, la

frequenza è proporzionale all’energia, gli atomi emettono o assorbono radiazioni di

limitati valori di energia.

Gli stati energetici di un atomo sono quantizzati e sono gli unici accessibili agli

 elettroni nelle loro transizioni (per eccitazione o diseccitazione).

viene emessa una radiazione (o pacchetto di energia) solo se l’elettrone passa

 da un livello di più alta energia ad uno di più bassa energia.

LUIS VICTOR DE BROGLIE (1924)

Qualunque corpuscolo di materia, come una particella atomica, può avere anche una

natura ondulatoria.

Anche gli elettroni possono essere caratterizzati da un comportamento duale (es.

diffrazione)

A qualsiasi corpo di massa m con velocità v può essere associata un’onda (onda di De

Broglie) la cui lunghezza è inversamente proporzionale alla sua massa: Λ = h/mv

TEORIA QUANTO-MECCANICA ( o MECCANICA ONDULATORIA)

Ogni cosa in natura possiede sia proprieta’ corpuscolari sia proprieta’ ondulatorie.

L’elettrone si comporta come un’onda stazionaria circolare localizzata attorno al

nucleo dell’atomo. Le onde stazionarie sono esempi di quantizzazione: sono permesse

solo certe lunghezze d’onda. L’energia dell’elettrone nell’atomo è quantizzata a causa

del moto ondulatorio degli elettroni.

CONCETTO MODERNO DI ATOMO

1. L’elettrone ha una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare;

2. il suo moto può essere descritto da una funzione d’onda ψ che rappresenta una

soluzione dell’equazione d’onda di Schrödinger;

3. all’elettrone, sono permesse solo certe funzioni d’onda (stati stazionari) a cui

competono valori di energia ben definiti, tutti multipli di un valore fondamentale

(quantizzazione);

4. l’energia dell’elettrone è quantizz