FISICA QUANTISTICAFISICA QUANTISTICA

Quantizzazione dell’energiaQuantizzazione dell’energiaOnde materialiOnde materialiStruttura atomica e Struttura atomica e molecolaremolecolareSpettroscopiaSpettroscopia

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Effetto fotoelettrico

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Effetto fotoelettrico

3

Effetto fotoelettrico

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νmin = Ф/h

Ec = hν ─ Ф = Kmax = e∆Va

∆Va ⇒ potenziale d’arresto

Effetto fotoelettrico

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Effetto fotoelettrico

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FOTONI

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Energia dell’onda elettromagnetica

Le onde elettromagnetiche trasportano energiasotto forma di “particelle di luce” dette fotoni,

emessi o assorbiti in transizioni atomiche o molecolari.L’energia è proporzionale alla frequenza:

E = hcon h = 6.6•10-34 J•s (costante di Planck).

Nella luce visibile l’emissione o l’assorbimento dei fotonidetermina il colore dei corpi:

bianco = emissione di tutte le frequenze visibilinero = assorbimento di tutte le frequenze visibili

Luce gialla: = 600 nm = c/ = (3•108 m/s)/(6•10-7 m) = 0.5•1015 Hz = 5•1014 Hz E = h = (6.6•10-34 J•s)(5•1014 Hz) = 3.3 •10-19 J = 2 eV

Es.

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Spettro elettromagnetico

= c E = h

ONDERADIO

MICROONDE

INFRA--ROSSOULTRA-

-VIOLETTO

RAGGIX

RAGGIGAMMA

102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m) (m)

(Hz)

(Hz) 106108

3 108 Hz

1010101210141016101810201022

(cm)(mm)(m)(Å)(fermi) (nm)

VISIBILE

MeV keVGeV

(eV)

E103106109

700600500400

(nm)

colori

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Radiazione visibile (Luce)

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Analisi spettrale

• Un’onda policromatica può essere separata nelle sue componenti mediante l’analisi spettrale, che può essere effettuata utilizzando dispositivi che separano spazialmente le componenti di colore diverso.

• Un dispositivo per l’analisi spettrale è costituito da un prisma di vetro, il cui indice di rifrazione varia con la frequenza (dispersione dell’onda e.m.).

• Un altro dispositivo per l’analisi spettrale è il reticolo di diffrazione, che utilizza il fenomeno dell’interferenza per effettuare tale decomposizione.

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Reversibilità delle righe di emissione e di assorbimento

– 1859, G R Kirchhoff e R Bunsen demonstrano la reversibilità delle righe di emissione

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SpettriLampada

Neon

Idrogeno

Azoto

Mercurio

Ferro

Sodio

Sole

Lampada

Neon

Idrogeno

Azoto

Mercurio

Ferro

Sodio

Sole

Spettri di emissione nel visibile 15

Balmer: metodo scientifico inverso

3,4

5.3462

2

nnmn

n

Johannus Balmer è un insegnante svizzero

Trova una formula analitica che descrive I dati sperimentali della serie di righe visibili dell’idrogeno

Che nella forma:

20

2

2

limite nn

n

Interpreta anche le altre serie di spettri.

12 00 nnedn Balmer

10 n Lyman 30 n Paschen 50 n Pfund40 n Brackett16

r1 = 0.053 nm

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Atomo di Bohr

18

19

Confinamento orbitale di un’onda

20

Interazione corpuscoli - fenditure

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Interazione corpuscoli - fenditure

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Proprietà Ondulatorie delle Particelle

Immagini di diffrazione dello stesso materiale policristallinocon impiego di elettroni di bassa energia (LEED) e radiazioni e.m. a corta lunghezza d’onda (raggi X)

De Broglie 1923:

anche le “particelle” sono “onde”

p=h/

=h/p Davisson e Germer 1927

Raggi X Elettroni

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Trasmissione

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Riflessione

Scansione

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Struttura Atomica

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I fotoni sono emessi da salti di elettroni tra livelli energetici

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Spettro dell’idrogeno

Spettro prodotto da un tubo a Idrogeno. V=5000 V

Reticolo di diffrazione 600 linee/mm

Serie di BalmerSerie di Pascheninfrarosso

Serie di Paschenultravioletto

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Struttura atomica

30

Struttura atomica

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Struttura atomica

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Struttura atomica

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Tavola periodica degli elementi

TAVOLA PERIODICA

DI MENDELEEV

Elementi chimici: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92)

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Struttura atomica

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Struttura atomica

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Struttura atomica

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Atomi con più elettroni

Li He

Gli spettri ottici derivano dall’eccitazione degli elettroni più esterni

Li 1s2 2s1

Na 1s22s22p63s1 He 1s2

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Distribuzione di probabilità di stati atomici

n,l,ml=2,0,0 n,l,ml=2,1,0n,l,ml=2,1,1

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40

41

Orbitali Molecolari

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Orbitali Molecolari

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Orbitali Molecolari

Chimica quantistica (N2):

http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/

Orbitali 4f

“Elettronica” : 13,6 eV“Gravità”: 2,2 •10-35 eV

Energie di legame:

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Misure di assorbimento

Sorgente di luce

Monocromatore

Campione

Rivelazione ed amplificazione

Raccolta dati

I0I

xeII 0

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Legge di Lambert

II-dI

dx

dI=-Idx

:Coeff. Di Attenuazione

I=I0e-x

SEV (spessore di dimezzamento s)

dI/I = -μdx

∫dI/I = ∫(- μdx)

½I0 = I0exp[- μs] -log2 = - μs s = log2/μ = 0.693/μ46

Strumentazione

Rivelatore

SorgenteMonocromatore

Campione

Scintillatori, rivelatori a stato solido

Lampade ad incandescenzaLampade a gasLaserSorgenti di luce di sincrotrone

SORGENTI

MONOCROMATORIc-Si

RIVELATORI

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Fluorescenza e fosforescenza

Diseccitazione da singoletto⇒ Energia più elevata⇒ Vita media 10-11 10⌯ -8sec

Diseccitazione da tripletto⇒ Energia ridotta⇒ Vita media: 10-3 10 sec⌯FLUORESCENZA

FOSFORESCENZA48

Fluorescenza e fosforescenza

49

Fluorescenza e Fosforescenza: legge di Stokes

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Assorbimento e fluorescenza per antracene in soluzione di cicloesano

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Diagramma di Jablonski

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Diagramma di Jablonski

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