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Rappresentazione di un’onda elettromagnetica Le radiazioni elettromagnetiche si propagano nello spazio secondo un moto sinusoidale, portando con sé energia sottoforma di un campo elettrico e di un campo magnetico tra di loro perpendicolari.
Queste radiazioni si propagano nel vuoto con la velocità della luce (c = 2,998 x 108m/s). Sono caratterizzate da una lunghezza d’onda (λ) che si misura in m (rappresenta la distanza tra 2 picchi). Sono caratterizzate anche dalla frequenza (ν) rappresenta il n° di onde che passano in un punto in 1 s. La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda ed è legata ad essa dalla relazione: ν = c / λ Queste radiazioni sono caratterizzate anche dall’ampiezza (cioè l’altezza dell’onda). Ricordiamo che l’intensità di una radiazione è proporzionale al quadrato dell’ampiezza.
Spettro delle radiazioni elettromagnetiche Per spettro delle radiazioni elettromagnetiche s’intende l’insieme di tutte le radiazioni possibili con le diverse lunghezze d’onda. Le varie radiazioni differiscono tra loro per la lunghezza d’onda e di conseguenza anche per la frequenza. Tra le alte lunghezze d’onda abbiamo le onde radio, poi le microonde, dopo entrando nelle lunghezze d’onda più piccole troviamo l’infrarosso, la luce visibile, l’ultravioletto, i raggi X e infine i raggi γ.
Spettro di emissione La luce visibile si compone di radiazioni (rosso, arancio, giallo, verde, azzurro, blu, violetto) che vanno da 750 nm a 410 nm. Man mano che si passa dal rosso al violetto diminuisce la lunghezza d’onda e aumenta la frequenza. Delle sostanze portate allo stato di incandescenza mediante sollecitazione termica o per via elettrica (es. neon) emettono delle radiazioni che se vengono fatte collimare in una fessura per poi passare in un prisma analizzatore che separa i componenti della radiazioni con le diverse lunghezze d’onda, formano uno spettro di emissione. Gli elementi danno righe, i composti formano gruppi di righe su lastra fotografica.
Spettro di emissione dell’H atomico nel visibile Se colpiamo un atomo di H con una scarica elettrica, esso emetterà una radiazione elettromagetica, per cui sullo spettro di emissione vediamo 1 riga nel rosso, 1 nell’azzurro e 2 nel violetto. La luce visibile ad occhio nudo che emette l’H eccitato è rossa, ovvero il colore corrispondente alla radiazione elettromagnetica più intensa del suo spettro di emissione.
Frequenze delle righe dello spettro di emissione completo dell’H atomico Ubbidiscono a questa relazione: ν = R (1/na2 – 1/nb2) Dove: R = 3,29 . 1015 Hz naed nbsono dei numeri, navale 1 per le righe che cadono nell’ultravioletto, 2 per le righe che cadono nel visibile e 3 per le righe che cadono nell’infrarosso; nbè un numero intero con valori che vanno da na+1 =/< nb=/< infinito.
Spettro della radiazione elettromagnetica emessa da un corpo riscaldato Il colore visibile emesso da un corpo riscaldato dipende dalla temperatura raggiunta dal corpo emittente. Si va dal rosso al violetto, diminuendo la lunghezza d’onda e aumentando la frequenza. A bassa temperatura il massimo d’intensità cade ad una frequenza che spetta alla zona del rosso. Aumentando la temperatura il massimo dell’intensità si sposta in una frequenza che spetta alla zona dell’azzurro. Ovvero aumentando la temperatura aumenta la frequenza. Questo fenomeno non si poteva spiegare alla luce della teoria elettromagnetica classica per la quale con l’aumento di T aumenta l’intensità, ma non erano previsti dei picchi con delle ricadute!
Ipotesi quantica di Plank Plank ipotizzò che le radiazioni emesse dai corpi riscaldati non fossero continue ma venissero emesse per quantità discrete (per pacchetti) che sono tutte multiple di una quantità detta QUANTO. l’energia di un quanto è legata alla frequenza della radiazione emessa attraverso la relazione: E = hv = h (c/λ) bassa frequenza (cioè alta lunghezza d’onda) = bassa energia e viceversa.
Effetto fotoelettrico Einstein riprese la teoria dei quanti di Plank e la applicò all’emissione di elettroni da parte di un metallo esposto a radiazione elettromagentica ad alta intensità e frequenza, quindi ad alta energia. A questo punto la radiazione elettromagentica assume doppia natura: - natura onduatoria secondo la teoria elettromagnetica - natura corpuscolare secondo la teoria quantica di Plank
L’atomo di H secondo Bohr Bohr formulò l’ipotesi della stabilità di un modello atomico formato da 1 protone ed 1 elettrone quale è l’atomo di H. Il modello precedente era quello di Rutherford, secondo il quale l’elettrone percorreva orbite circolari attorno al nucleo. Secondo la teoria elettromagnetica classica una particella carica che ruota intorno ad un nucleo avrebbe perso energia elettromagnetica andando a cadere sul nucleo in tempi brevissimi. Invece l’atomo di H è stabile! Bohr usò la teoria quantica di Plank per spiegare la stabilità dell’H. Ipotizzò che l’elettrone dell’H percorresse orbite circolari concentriche appartenenti a gusci sferici ad energia costante. Finché l’elettrone descrive orbitali circolari appartenenti ad un guscio sferico, l’energia è costante. Cambia energia solo se passa da un guscio all’altro.
Inoltre non tutte le orbite sono permesse (da qui la quantizzazione), ma solo quelle in cui la massa dell’elettrone moltiplicata la sua velocità per il raggio dell’orbita è = ad n volte (dove n è un numero intero da 1 a infinito) la costante di Plank (h) diviso 2π. mvr = n h/2π Quindi le orbite non sono qualsiasi ma solo quelle che soddisfano questa condizione.
Bohr determinò il raggio delle orbite secondo un principio per cui la forza coulombiana di attrazione degli elettroni da parte del nucleo è bilanciata dalla forza centrifuga. r = a0 n2 Il r (raggio delle orbite) è = ad a0 (costante) = 0,529 A. n è un numero intero detto quantico. Quindi se n = 1 il raggio sarà = a 0,529 A, se n = 2 il raggio sarà 4 volte il valore della costante a0.
Inoltre Bohr sapeva che: E = energia cinetica + energia potenziale Dove l’energia potenziale si ha in funzione dell’energia esercitata dal nucleo sull’elettrone. Bohr determinò l’energia nelle varie orbite e trovò questa espressione: E = - 2,18 . 10-18 / n2espressa in J All’aumentare di n aumenta l’energia! Ovvero l’energia aumenta man mano che l’elettrone si allontana dal nucleo. Perché troviamo il segno negativo? Posto che è stato assegnato valore di energia 0 all’elettrone libero (che non risente di nessun’attrazione del nucleo) è chiaro che quando l’elettrone risente dell’energia nucleare la sua energia diminuisce.
Energia persa dall’elettrone nel passaggio da Ei ad Ef con Ei > Ef Quando l’elettrone assorbe energia passa dalla sua orbita dello stato fondamentale (n=1) ad orbite ad energia più elevata. Ma tendenzialmente l’elettrone occupa orbitali a minore energia (+ vicini al nucleo), nella ricaduta verso un orbitale a minor energia l’elettrone perde energia, emettendo una radiazione. Ei Ef con Ei > Ef (emissione energia) ΔE = Ei – Ef = 2,18 . 10-18J (1/nf2 – 1/ni2)
ΔE = hv (l’energia emessa è quantizzata) v = ΔE / h = 2,18 . 10-18 J / 6,626 . 10-34J s (1/nf2– 1/ni2) Ne emerge che: v = 3,29 . 1015(1/nf2 – 1/ni2) Hz
