Struttura atomica –struttura nucleare
description
Transcript of Struttura atomica –struttura nucleare
Struttura atomica –struttura nucleare
Fisica Atomica Primi modelli atomici Esperienza di Rutherford Atomo di idrogeno Spin Funzione d’onda Numeri quantici Spin dell’elettrone Principio di Pauli Spettri X Transizioni atomiche
Fisica Nucleare Proprietà dei nuclei Carica e massa Dimensioni del nucleo Stabilità del nucleo Spin del nucleo e momento magnetico Energia di legame Radioattività Decadimenti alfa, beta Radiazione gamma Datazione con il metodo del carbonio 14. Radioattività naturale
Modelli atomici
Modello di Newton: sfera rigida Modello di Thomson Esperimento di Rutherford: confuta il
modello di Thomson. Nucleo piccolo al centro positivo e nube elettronica negativa. Due problemi:
Frequenze caratteristiche Emissione di radiazione assente
Struttura dell’atomo (2)
Ipotesi di Bohr: La fisica classica non può essere
applicata su scala atomica. Livelli energetici quantizzati (Planck). Frequenza emessa nel passaggio da un livello all’altro (emissione di fotoni)
Miglioramenti: gruppi di righe nello spettro dell’idrogeno
Ipotesi di De Broglie: l’elettrone ha una natura ondulatoria.
Energia potenziale dell’atomo di idrogeno
Livelli energetici. Numero quantico principale n (è sufficiente nei problemi unidimensionali).
Numeri quantici orbitale (l ) e magnetico.
n da 1 a infinito (shell K,L,M,…) l da 0 a n-1 (sottostrati s,p,d,f..) m da –l a l
Spin. Esistono il doppio dei sottostrati previsti da n,l. Numero quantico di spin ms
Doppietto del sodio Descrizione semplificata in termini di
rotazione dell’elettrone attorno al suo asse.
L’energia dell’elettrone è leggermente differente nelle due direzioni di rotazione.
Funzioni d’onda. Densità di probabilità
0
30
1
1)( a
r
S ea
r
0
2
30
2
1
4)( a
r
S ea
rrP
Contributo degli altri numeri quantici
Momento angolare L=mvr (classico) Bohr: quantizzato mvr=n h/2
1,...2,1,0,)1( nlllL
Numero quantico magnetico
lz mL La proiezione z del momento angolare orbiltale risulta quantizzata.
A causa del principio di indeterminazione, L non punta in una direzione specifica, ma descrive un cono nello spazio.
Principio di esclusione di Pauli. Non possono esistere due particelle identiche con gli stessi numeri quantici.Riempimento dei livelli energetici.Tavola periodica degli elementi di Mendeleev.
Emissioni X
Transizioni atomiche. Emissione di fotoni. Regole di selezione. l=+-
1 Il fotone emesso ha momento angolare.
Fisica Nucleare
1896 Bequerel. Radioattività naturale nell’uranio.
1932. Neutrone. Chadwick 1933. Radioattività artificiale. J. e I.
Curie 1938. Fissione nucleare. Hahn e
Strassman 1942. Primo reattore nucleare. Fermi.
Proprietà del nucleo
Numero atomico Z, numero di massa A.
Isotopi. Esempio C. Isotopi artificiali. Carica del protone ed elettrone:
1,6 10-19 CMassa: protone mp=1.67 10-27kg
elettrone me=1/1836 mp
Massa in unità di energia.Dimensioni dei nuclei.
La struttura del nucleo atomicoLa struttura del nucleo atomico
Numero di massa ANumero di massa A numero protoni + numero neutroni
Numero atomico ZNumero atomico Z numero protoni
XA
Z
Particella Massa (g) Carica (C)
Simbolo
Protone 1.673·10-24 +1.6028·10-19 p+
Neutrone 1.675·10-24 0 n
Atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietà chimiche
Nucleoni
Atomi con uguale numero atomico Z sono classificati come atomi dello stesso elemento e identificati dallo stesso
simbolo chimico (X)
NuclideNuclidespecie atomica caratterizzata da una determinata composizione del nucleo (sono noti A e Z)
IsotopiIsotopinuclidi di uno stesso elemento (con uguale numero atomico Z) con diverso numero di massa A(isos topos = stesso posto)
C14
C12
C13
C6
La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopiLa struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi
N Z = 7 A-Z = 714
7 O Z = 8 A-Z = 816
8
IsobariIsobarinuclidi con diverso numero atomico Z ma con uguale numero di massa A(isos baros = stesso peso)
Fe54
26 Cr54
24
Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono dal numero di elettroni (e quindi da Z)
Diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche e chimico-fisiche
La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopiLa struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi
H = H1
1 H = D2
1
EccezioniH2O p.f. 0.00°C p.e.
100.00°C D2O p.f. 3.82°C p.e. 101.42°C
C14
C12
C13
C6
Struttura atomica - Le dimensioni degli Struttura atomica - Le dimensioni degli atomiatomi
Esempio: Rame (Cu), Ferro (Fe), ...Raggio nucleare
Valore sperimentale: rnucl ≈ 10-4 Å
rat/rnucl ≈ 10000
≈ 1 cm
Dimensione del nucleo dall’esperienza di Rutherford.
Unità di misura su scala nucleare fm=10-15m
d
Zeek
r
qqkmv ee
))(2(
2
1 212
r=r0 A1/3 I nuclei hanno la stessa densità
Volume e densità del nucleo
Stabilità
Forza nucleare. I neutroni sono
soggetti alla sola forza nucleare e contrastano nel nucleo la repulsione coulombiana fra protoni. Per Z>83 non esistono nuclei stabili
Neutroni
Protoni
Spin nucleare e momento magnetico
Momento angolare nucleare I: spin nucleare Magnetone nucleare. Analogo del
magnetone di Bohr ma 2000 volte più piccolo.
Energia di legame.
La massa del nucleo è sempre minore della somma delle masse dei suoi componenti. La differenza di massa moltiplicata per c2 fornisce l’energia di legame.
Esempi: fissione e fusione nucleare.
Energia di legame del deutone.Energia di legame per particella. Valore medio circa 8MeV.La curva varia lentamente per A>40. Saturazione della forza nucleare (corto raggio)
Processi di decadimento
Decadimento alfa Decadimento beta Emissione gamma
Radioattività