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