natura della luce

Luce: Duplice natura onda e particella

NATURA ONDULATORIA DELLA LUCE

La luce è una radiazione elettromagnetica, un'onda composta da un campo elettrico e un campo magnetico (elettromagnetico) oscillanti e perpendicolari tra loro, che si propaga nello spazio ad una velocità costante (= velocità della luce).

• La velocità della luce è più veloce della velocità del suono (es. fuochi d'artificio/lampi).
• Un campo magnetico è una regione dello spazio in cui una particella magnetica è soggetta ad una forza (es. magnete genera campo magnetico intorno a sé).
• Un campo elettrico è una regione dello spazio in cui una particella dotata di carica elettrica è sottoposta all'azione di una forza (es. protone ha un campo elettrico intorno a sé; un'altra particella carica, posta in quel campo, risentirà di una forza elettrica).

Un'onda può essere descritta dalla sua:

• Ampiezza:

Altezza verticale di un cresta. Determina la luminosità della luce.

Lunghezza d'onda (λ): la distanza tra due creste successive. Determina il colore della luce.

La luce è anche caratterizzata dalla frequenza (v): il numero di cicli che passano attraverso un punto stazionario in un dato intervallo di tempo. Viene misurata in Hertz (Hz). È inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda.

Lo spettro elettromagnetico include tutte le lunghezze d'onda delle radiazioni elettromagnetiche.

Le radiazioni elettromagnetiche più energetiche sono quelle con minore lunghezza d'onda.

• Raggi gamma (Sole)
• Raggi X (medicina)
• Radiazioni ultraviolette (abbronzatura)
• Luce visibile
• Radiazioni infrarosse (calore che si prova)
• Microonde (forni/utilizzate per scaldare sostanze contenenti l'acqua poiché sono facilmente assorbite da essa)
• Onde radio (segnali radio)

Diffrazione: quando un'onda incontra un ostacolo, si flette.

NATURA

PARTICELLARE DELLA LUCE è caratterizzata dalla specifica quantità di energia trasportata da ciascun fotone.

L'effetto fotoelettrico è il fenomeno per cui molti metalli emettono elettroni quando colpiti dalla luce.

- Einstein spiegò questo effetto.

L'energia luminosa deve essere distribuita in pacchetti.

Un pacchetto di luce è chiamato fotone o quanto di luce.

La luce è ripartita in quanti.

E=hv

E= hc/λ

Un raggio di luce non è un'onda che si propaga nello spazio, am una pioggia di particelle (fotoni), ciascuna con un'energia pari ad hv.

L'emissione di elettroni da parte di un metallo si verifica solo se un fotone ha un'energia (hv) sufficiente per allontanare un singolo elettrone.

La luce a bassa frequenza non sposta elettroni dai metalli poiché ciascun suo fotone ha energia inferiore all'energia minima necessaria per allontanare un elettrone (ex. palla che rompe la finestra).

Aumentare l'intensità della luce a bassa frequenza è come aumentare il numero di palline da ping-pong lanciate sulla finestra: aumento il numero di fotoni a bassa frequenza, ma non aumento la loro energia.

Aumentare la frequenza della luce, anche a bassa intensità, aumenta l'energia di ogni fotone (es. lancio una palla da basket).

Natura particellare effetto fotoelettrico→Natura ondulatoria spettroscopia atomica: lo studio della luce assorbita ed emessa dagli atomi quando un elettrone effettua una transizione da un livello di energia ad un altro.

Quando un atomo assorbe energia, la riemette sotto forma di luce. La luce emessa è composta da diverse lunghezze d'onda. È possibile separare la luce emessa da un solo elemento facendola passare attraverso un prisma. Il risultato è una serie di linee luminose chiamato spettro di emissione. Questo spettro di emissione può essere impiegato per identificare

L'elemento MODELLO ATOMICO DI BOHR fornisce una spiegazione agli spettri di emissione.

Secondo il modello di Bohr, ciascuna linea dello spettro è prodotta quando un elettrone decade da un'orbita stabile (stato stazionario) ad un'altra ad energia più bassa.

Gli elettroni si muovono attorno al nucleo seguendo orbite circolari le quali si trovano ad una determinata distanza dal nucleo.

L'energia di queste orbite è fissa: quantizzata.

Bohr definisce queste orbite stati stazionari.

Un elettrone orbitante attorno al nucleo in uno stato stazionario non emette radiazioni, ma queste verranno emesse solo al passaggio (transizione) di un elettrone da uno stato stazionario ad un altro.

Oggi sappiamo che questi stati stazionari sono la manifestazione della natura ondulatoria dell'elettrone.

Il modello di Bohr spiega con successo la particolarità dello spettro di emissione dell'atomo di idrogeno.

Gli spettri di emissione

dipende dalla differenza di energia tra i due orbitali. Questa energia può essere fornita ad esempio tramite una scarica elettrica o tramite l'assorbimento di fotoni di luce. Quando l'elettrone assorbe energia e passa ad un orbitale ad energia maggiore, si trova in uno stato eccitato. Tuttavia, questo stato eccitato è instabile e l'elettrone tende a ritornare al suo stato fondamentale. Durante questo processo di ritorno, l'elettrone rilascia l'energia assorbita sotto forma di fotoni di luce. Ogni fotone emesso corrisponde ad una specifica lunghezza d'onda, e quindi ad una specifica linea nello spettro dell'idrogeno. Le linee dello spettro dell'idrogeno sono indicate con dei numeri e delle lettere. Ad esempio, la linea H-alpha corrisponde alla transizione dell'elettrone dall'orbitale 3p all'orbitale 2s. Questa linea è molto importante perché cade nella regione dello spettro visibile e viene utilizzata per studiare l'idrogeno nelle osservazioni astronomiche. In conclusione, lo spettro dell'idrogeno è caratterizzato da linee luminose di specifiche lunghezze d'onda, che corrispondono alle transizioni quantiche dell'elettrone tra diversi orbitali. Questo spettro è molto importante per la comprensione della struttura atomica e viene utilizzato in diversi campi della scienza.all'elettrone per consentirgli un passaggio ad orbitali ad energia crescente è via via maggiore fin quando non si giunge ad una energia (energia di ionizzazione) per la quale l'elettrone si allontana dall'atomo. Se, invece, l'elettrone che si trova in un orbitale ad alta energia passa ad un orbitale ad energia minore rilascia una certa quantità di energia sotto forma di radiazione avente una determinata lunghezza d'onda e dando origine ad una riga di emissione. Le transizioni che gli elettroni compiono dagli orbitali periferici a quelli più interni si possono ordinare secondo valori decrescenti di energia: le variazioni di energia più elevate si registrano quando un elettrone passa da un'orbitale periferica a quella corrispondente allo stato fondamentale. Quando un atomo assorbe energia, un elettrone che si trova ad un livello energetico più basso può essere eccitato, cioè portato ad un livello di energia.

più alto (salto energetico). In questa nuova configurazione l’atomo è instabile e l’elettrone rapidamente si rilassa tornando ad un orbitale a più bassa energia. Nel fare ciò, rilascia un fotone. La luce è emessa quando un elettrone ritorna ad un livello di energia più basso.

ELETTRONE

Duplice natura: onda (ondulatoria) e particella (corpuscolare)

Gli elettroni hanno una natura ondulatoria a cui è associata una lunghezza d’onda, espressa dalla relazione di De Broglie:

La proprietà ondulatoria spiega l’esistenza degli stati stazionari (nel modello di Bohr) e impedisce agli elettroni di cadere nel nucleo (fisica classica). La natura ondulatoria e quella corpuscolare sono complementari. Più si conosce dell’una, meno si conosce dell’altra.

- Il dualismo onda/particella dell’elettrone è espresso dal principio di indeterminazione di Heisenberg che afferma che c’è un limite alla

conoscere la posizione dell'elettrone. Queste regioni sono chiamate orbitali. Le proprietà ondulatorie degli elettroni sono descritte dalla funzione d'onda, che rappresenta la probabilità di trovare l'elettrone in una determinata posizione. La funzione d'onda è rappresentata dal simbolo Ψ. La posizione dell'elettrone può essere determinata attraverso l'uso dell'equazione di Schrödinger, che descrive l'evoluzione temporale della funzione d'onda. Tuttavia, l'equazione di Schrödinger fornisce solo la probabilità di trovare l'elettrone in una determinata posizione, non la sua posizione esatta. D'altra parte, la velocità e lo stato energetico dell'elettrone possono essere determinati attraverso l'uso degli operatori di momento e di energia. Questi operatori agiscono sulla funzione d'onda per ottenere informazioni sulla velocità e sull'energia dell'elettrone. In conclusione, l'indeterminatezza di Heisenberg afferma che non è possibile conoscere contemporaneamente con precisione la posizione e la velocità di un elettrone. Questo comportamento è diverso da quello delle particelle macroscopiche, che possono essere descritte con precisione attraverso traiettorie definite.

trovarlo.Visione probabilistica.NO certezzaSI massima probabilitàAgli inizi del 1900 la Fisica Classica sembrava essere la descrizione definitiva ed ultimadella Natura, a meno di piccoli problemi che non disturbarono troppo i Fisici dell’epoca.Lo studio approfondito di tali questioni irrisolte ha portato nel 1900 il Fisico tedesco MaxPlanck a sostenere che lo scambio di energia tra radiazione elettromagnetica e l’ambientecircostante non avvenisse in modo continuo come sostenuto dalla Fisica Classica, bensì inunità elementari di energia detti quanti. Tale idea si è rivelata corretta ed ha dato origine aduna delle più grandi rivoluzioni scientifiche di tutta l’umanità: la nascita della MeccanicaQuantistica.

MECCANICA QUANTISTICA

Il simbolo ψ indica la funzione d’onda, una funzione matematica che descrive la naturaondulatoria dell’eletrrone. Una rappresentazione grafica della funzione d’onda al quadrato ψ

Rappresenta un orbitale.

Quando si risolve l'equazione di SCHROEDINGER si ottengono soluzioni diverse, cioè molte possibili funzioni d'onda.

Noi analizzeremo solo la rappresentazione grafica degli orbitali che corrispondono alle funzioni d'onda.

La posizione dell'elettrone è descritta in termini di orbitale, una mappa di distribuzione di probabilità che mostra dove è probabile che l'elettrone si trovi.

Ciascun orbitale è individuato da 4 numeri quantici. Rappresentano la regione dello spazio in cui è massima la probabilità di trovare l'elettrone.

La combinazione dei primi 3 numeri quantici individua un orbitale atomico.

1. Numero quantico principale (n) - n = 1,2,3… Determina la dimensione e l'energia dell'orbitale.
2. Numero quantico del momento angolare (l) - n = 0,1… (n-1) Determina la forma dell'orbitale.
3. Numero quantico magnetico (m) - n = -l,-l+1…0…l-1,l Determina l'orientamento dell'orbitale nello spazio.
4. Numero quantico di spin (s) - s = +1/2,-1/2 Determina l'orientamento dello spin dell'elettrone.