1. La Fisica Classica
2. L’elettrone e l’esperimento di Millikan
3. Gli spettri e il calore
4. La fisica quantistica e l’effetto fotoelettrico
5. I modelli atomici di Rutherford e Bohr
LA FISICA CLASSICA
Si può parlare di fisica classica a partire dal XVII secolo fino al XIX secolo
sviluppatasi in particolare grazie alla meccanica newtoniana. Dal 1600 la fisica
acquista una certa autonomia dalla filosofia. In questo periodo la maggior
parte dei fenomeni trova spiegazione nella meccanica newtoniana, nella
teoria elettromagnetica di Maxwell, nella termodinamica o nella meccanica
statistica di Boltzmann.
 Lo scienziato è colui che osserva i fenomeni senza però intervenire e
senza modificarli.
 I punti sono definiti come particelle di materia indistruttibili, formi o in moto
uniforme, che a volte interagiscono tra di loro per forza attrattiva. La forza
agisce tra le coppie di punti lungo la loro congiungente. < distanza > forza.
 F = m a. Si ha una variazione di velocità se ci sono forze non equilibrate.
Se non c’è variazione di velocità c’è variazione di forze.
 Il moto di un corpo si può rappresentare studiando le sue parti più piccole o
un intero corpo esteso rappresentato in un unico punto. Come dice Galileo:
”L’universo è scritto in lingua matematica” di conseguenza i fenomeni
possono essere dimostrati.
 Il maggior contributo per la descrizione delle forze della natura
fu La legge di gravitazione universale, formulata da Isaac
Newton nel 1684. L'espressione algebrica della legge è
dove F è la forza gravitazionale, m 1 e m 2 le masse dei due corpi,
d la loro mutua distanza, e G la costante gravitazionale del valore
di 6,67 × 10 -11 N m 2 kg -2
Equilibrio dinamico: per spiegarlo si usa il modello del sasso che ruota.
Il sasso (pianeta) possiede una velocità e la forza centripeta lo lega al
centro quindi è la velocità stessa che fa si che ci sia un equilibrio. C’è
anche la forza centrifuga ma si tratta di una forza apparente.
Fcf
v
Fc
Energia totale è data dalla somma dell’energia potenziale e di quella
cinetica che è la meta dell’altra. Il segno negativo è dovuto al fatto che il
pianeta è legato al Sole. E = 0 se il pianeta è lontanissimo (all’infinito)
EC = ½ mv2
Ep = -(GmM)/ r
Et = ½ mv2 – (GMm)/r
V2 = GM/r
E = ½ (GMm)/r – (GMm)/r = - ½ (GMm)/r
La forza è un’azione a distanza tra due corpi ed è istantanea. Tutte le
forze in natura sono la combinazione di tre tipi di forze: gravitazionale,
forza elettro – debole e forza forte. Ci sono anche: forze di coesione ossia
forze che tengono insieme molecole dello stesso tipo, forze di adesione
che legano molecole di tipi diversi e forze elastiche. Tutte queste agiscono
lungo la congiungente tra due parti. F = ma
La forza elettrica ha analogie con la forza di gravità e dipende
dall’ambiente. Le interazioni elettriche sono di due tipi: le cariche positive e
quelle negative. La carica elettrica è una particolare proprietà per cui si
originavano forze di mutua interazione attrattive e repulsive tra i corpi
elettrizzati. Unità di misura è l’HertzUna carica oscillante produce un’onda
dovuta al campo magnetico che è perpendicolare a quello elettrico.
Magnetismo. Le prime ricerche sul magnetismo risalgono al XVII secolo,
tuttavia per lungo tempo i fenomeni elettrici e magnetici furono studiati
separatamente e questo celò la loro stretta relazione. La situazione mutò nel
1829 quando lo scienziato danede Hans Christian Oersted scoprì che un
ago magnetico si orienta per effetto di una corrente elettrica. Dopo breve
tempo André-Marie Ampère dimostrò che due fili percorsi da corrente si
attraggono o si respingono come i poli di una calamita. Nel 1831 il britannico
Michael Faraday scoprì che per generare corrente all'interno di un filo
conduttore è sufficiente muovere una calamita o mantenere una corrente
variabile nelle sue vicinanze.
Si scopre che il Nord geografico non è magnetico ossia dove c’è il polo Nord
geografico si trova il polo Sud magnetico.
Polo Nord geografico = Polo Sud magnetico
L’onda meccanica è energia di movimento che si sposta a una certa
velocità. Le onde sono in grado di aggirare gli ostacoli quando due di esse
si incontrano si possono annullare. Le onde viaggianti sono quelle che
trasportano la loro energia nello spazio. Le onde possono essere
trasversali o longitudinali. Le quattro proprietà delle onde sono: periodo,
frequenza, lunghezza e ampiezza.
L’esperimento del fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz spiegò la natura
della propagazione delle onde elettromagnetiche. provò sperimentalmente
che l'elettricità può essere trasmessa per mezzo di onde elettromagnetiche
che viaggiano alla velocità della luce. I suoi esperimenti portarono
all'invenzione del telegrafo senza fili e della radio. L'unità di frequenza
venne chiamata hertz (Hz) in suo onore.
Onda Longitudinale e Onda Trasversale
“Scoprendo l’elettrone, dall’esperimento di Thomson a quello
di Millikan, analizzando la carica”
PREFAZIONE:
Dall’affermazione di Dalton secondo cui ogni sostanza elementare era
composta da atomi uguali tra di loro che si differenziavano da sostanza a
sostanza ed erano indivisibili singolarmente, attraverso l’elettrizzazione dei
corpi, lo strofinio o anche la radioattività di varie sostanze si capì che gli
atomi, a differenza di come Dalton aveva supposto, dovevano essere
costituiti da particelle più piccole e che alcuni corpi emettevano varie onde
che si dividevano in: onde alfa (2n+2p)
onde beta (formate da elettroni)
onde gamma (formate da pura energia)
“ESPERIMENTI BASE NELLA SCOPERTA DELL’ELETTRONE”
Il primo passo verso la ricerca della struttura atomica fu compiuto nell’
esperimento dei tubi di Crookes :
 Con l’utilizzo di un gas,
interno al contenitore di
vetro, si notano alle varie
pressioni stabilite le
variazioni dell’andamento
delle scariche elettriche.
 Successivamente
con
l’utilizzo di un secondo
generatore e un mulinello
a pale di grafite si noterà
la natura corpuscolare di
queste radiazioni che
sono quindi formate da
particelle.
Avendo queste particelle carica negativa verranno chiamate elettroni,
intendendo con questo nome le particelle che vengono perse dagli atomi
dei gas ionizzati dall’azione del campo magnetico.

.
Con un altro grande esperimento, realizzato da Thomson, si cercò di
scoprire il rapporto tra la carica dell’elettrone e la sua massa:
 Prendendo un tubo
dilatato ad una estremità
contenente solfuro di
zinco e
una scala
graduata, con l’utilizzo
prima di un generatore
poi di due generatori e
infine di una calamita
con un generatore si
potrà notare che le
radiazioni
confluiscono nel punto
primario.
Le varie fasi hanno dimostrato che indipendentemente dall‘utilizzo di più
generatori e di vari campi magnetici il rapporto tra la carica dell’elettrone
e la sua massa è di: -1,76 x 104 coulomb fratto grammi.
Una volta ottenuto il rapporto carica/massa con l’ esperimento di Thomson
con un successivo esperimento effettuato da Millikan si riuscì a stabilire il
valore della carica dell’elettrone.
L’esperimento di Millikan fu realizzato nel 1909 grazie alle precedenti
scoperte di Thomson e alle teorie di Maxwell sull’aspetto continuo della
carica; fino al 1867 degli elettroni non si sapeva ancora nulla, soltanto
successivamente grazie ai già citati esperimenti si scoprì che esistevano
particelle piccole con carica negativa.
Millikan svolse il suo esperimento nel seguente modo:
 In un contenitore cilindrico dotato di catodo e anodo collegato a un
generatore esterno con l’utilizzo di un microscopio posto all’interno del
contenitore si poté osservare il movimento di alcune goccioline d’olio
inserite grazie ad una speciale polpetta al variare dell’energia
somministrata dal generatore.
 Regolando l’ intensità della corrente al passare delle goccioline nel
campo visivo del microscopio si poté vedere in quel momento di stasi del
moto delle goccioline la forza peso è uguale alla forza elettrica
essendo E= ddp x nq / d.
 In cui ddp=differenza di
potenziale (tanto è
maggiore tanto più gli
elettroni passeranno
nel circuito)
 La n= numero di
cariche
negative
(maggiore sarà il
numero di cariche
maggiore sarà la forza
elettrica).
 Q=cariche.
 La d= alla distanza tra i
due
elettrodi
(maggiore è la distanza
minore sarà la forza
elettrica.
Successivamente attraverso il microscopio Millikan calcolò il diametro
delle goccioline d’olio conoscendo poi anche il volume e la densità si
ricavò la massa (d=m/v) da ciò ottenne che la carica dell’elettrone era di
1,6 x 10-19 sapendo poi il valore di carica / massa sostituendo Q ricavò
M che risultò essere 9,11 x 10-31 kg.
“CARICA TOTALE DI UN CORPO”
Di importanza fondamentale per stabilire la carica di un elettrone sono
senz’altro la densità e la velocità ma la carica totale di un corpo è formata
da grani, le caratteristiche del grano elementare coincidono con la carica
dell’elettrone, scoperta dell’elettrone che fu alla base del modello di
Thomson.
Successivamente grazie alle brillanti intuizioni di altri grandi scienziati come
Goldstein, Ratherford e Bohr il modello atomico sarà completato e ampliato
permettendoci così di poter definire con precisione la carica totale di un
corpo e la struttura atomica.
La quantizzazione
L'ipotesi che si vuole sostenere, proviene dall'intuizione e successive
deduzioni che i fenomeni 'quantizzati' hanno un unico denominatore
comune : Lo Spazio.
La materia appare "quantizzata", gli atomi sono i costituenti primari di
qualsiasi sostanza e sono le "porzioni" di materia al di sotto delle quali non
si hanno più le caratteristiche chimico fisiche della sostanza(elemento)
stessa.
Max Planck formulo' la sua famosa legge .la quale ci mostra come
l'energia in natura appaia 'quantizzata' secondo la costante h il cui
valore e' , come vedremo meglio in seguito h ci fornisce,
quantizzandolo, il livello energetico minimo o multiplo di questo minimo,
di qualsiasi onda elettromagnetica esistente nello Spazio.
Robert Millikan nel 1916 dimostro' che anche l'energia elettrica e'
quantizzata, i "quanti di elettricità chiamati elettroni hanno una carica
elettrica di , o se si preferisce un Coulomb di carica sono elettroni.
Dalla semplice osservazione che qualsiasi manifestazione presente
nella realtà
appare quantizzata, nasce l'ipotesi dello "Spazio Quantizzato", che
deve essere intesa come una nuova interpretazione o categorizzazione
logica della realtà.
Il concetto di quantizzazione deve essere spostato dal "contenuto"
(Carica, Massa, Energia, ecc.) al "contenitore" : lo Spazio, la
quantizzazione-abilita' e' una sua proprieta'.
I MODELLI ATOMICI DI RUTHERFORD E DI BOHR
Rutherford
- Professore di fisica all’università di Manchester, subito dopo la scoperta,
del fisico francese A.H. Becquerel, individuo’ i tre principali componenti delle
radiazioni che chiamo alfa, beta, gamma.
- Successivamente, fece un esperimento nel quale voleva dimostrare che,
come aveva detto Thomson l’atomo era costituito in ugual numero da
particelle positive e negative che condividevano lo stesso spazio.
- L’esperimento consisteva in un contenitore di piombo dal quale venivano
emesse radiazioni alfa che venivano indirizzate verso una lamina d’oro.
Intorno a tutta la costruzione Rutherford pose una pellicola fotografica.
- Inizialmente R. pensava che tutte le particelle delle radiazioni
trapassassero la lamina e si fermassero sulla pellicola e che alcune
deviassero.
- In realta’ il 99% delle particelle passava e si fermava sulla pellicola , un
po’ deviavano ma 1 su 8000 tornava indietro.
-
Da questi risultati R. dedusse che l’atomo era costituito da un nucleo
denso , dotato di massa e di una forte carica elettrica circondato da uno
“sciame” di elettroni.
-Questo
fu il primo modello atomico rappresentato come un modello
planetario infatti il nucleo rappresenta la terra e gli elettroni i pianeti che le
ruotano intorno.
- Il modello atomico di R.’ tuttavia, presentava alcuni inconvenienti poiche’
gli elettroni a causa del loro moto intorno al nucleo dotati di
accelerazione non nulla, avrebbero dovuto continuare a irraggiare,
perdendo continuamente energia, fino a collassare sul nucleo.
- Questo avrebbe reso impossibile l’esistenza di atomi stabili.
-ATOMO DI BOHR
- In seguito a queste considerazioni Bohr propose un nuovo modello
atomico frutto delle teorie di Rutherford e di dati sperimentali.
Il nuovo modello e’ entrato a far parte dei fondamenti della meccanica
quantistica. L’ atomo di B. consiste in un nucleo di carica positiva al quale
ruotano intorno gli elettroni di carica negativa che percorrono orbite
stazionarie.
- Le orbite scoperte da B. sono fisse ma non equidistanti , ci sono infiniti
livelli possibili.
-B. afferma inoltre due postulati :
1) allo STATO STAZIONARIO gli elettroni ruotano su orbite definite e fisse
senza mai assorbire ne cedere energia.
2) allo STATO ECCITATO assorbendo E dall’ esterno gli elettroni possono
spostarsi dall’orbita stazionaria ad un'altra.
- In seguito a cio’ si dice che l’E nell’ atomo e’ quantizzata , cioe’ la
quantita’ di E che assorbe un elettrone nel passaggio da un orbita ‘
all’altra e’ definita.
- Spontaneamente l’elettrone tendera’ a tornare all’ orbita stazionaria
cedendo la stessa quantita’ di E assorbita prima.
υ = E2 –E1
h

B. afferma che gli elettroni possono percorrere gli spazi in base all’ E
- LIVELLI ENERGETICI : sono gli spazi che percorrono gli elettroni
intorno al nucleo con valore costante di E
Spontaneamente l’elettrone perde energia sotto forma di ONDE
ELETTROMAGNETICE per far tornare stabile l’ atomo
-
GLI ELETTRONI POSSONO STARE SOLO IN DETERMINATI SPAZI
Condizione quantica degli atomi secondo Bohr
-Calcolando l’Ec e l’Ep dell’ elettrone all’interno dell’atomo B. HA
DEFINITO L’Etot
DE BROGLIE
E=hυ
E=mc2
eugualiando
hυ=mc2
hc =mc2
λ
λ=h
mc
DUALISMO ONDA/PARTICELLA
SPETTROSCOPIA

Si occupa di esaminare e interpretare gli spettri e quindi le molecole quando
la materia viene opportunamente eccitata.
 SPETTRO
insieme di radiazioni, messe o assorbite da atomi o molecole
espresse per mezzo di lunghezze d’onda o di frequenze.
 STORICAMENTE: tutto ebbe origine da Newton; la prima importante
scoperta fu un elemento ancora sconosciuto sulla terra:
Helios=sole
SPETTRI ATOMICI
SPETTRI DI EMISSIONE:emessi da corpi incandescenti solidi, liquidi,
gassosi
•Spettro continuo o discreto:nel campo visibile presenta tutti i colori dal
ROSSO al VIOLETTO
•Spettro a righe:presenta righe colorate su sfondo nero
•Spettro di bande:presenta una successione molto fitta di righe
SPETTRI DI ASSORBIMENTO
Si creano quando una sostanza, allo stato gassoso ma a
bassa temperatura, si trova tra una sorgente luminosa e
l’osservatore.
•Per alcune sostanza le righe dello spettro di
assorbimento= righe spettro di emissione.
•Gli spettri di emissione e assorbimento, ossia le
lunghezze d’onda e la frequenza variano da
elemento a elemento.
SPETTRO
ELETTROMAGNETICO
 Onde radio
 Microonde
 Raggi x o raggi
gamma
SPETTRO VISIBILE
υ più bassa
percepire.
solo la parte che l’occhio umano può
INFRAROSSO: la υ prima del rosso
ULTRAVIOLETTO: la υ dopo il violetto
λ=c/υ
SPETTRO ELETTROMAGNETICO, LUNGHEZZE
D’ONDA E FREQUENZE
SPETTROSCOPIO
 NOME ORIGINALE:
Apparecchiatura per verifica
spettri di rifrazione con camera
chiusa (Spettroscopio)
ANNO:
1960 circa
DIMENSIONI:
Larghezza: 44 cm
Profondità: 23 cm
Altezza: 30 cm
MATERIALI:
Vetro, ottone verniciato
STRUMENTO
FUNZIONANTE
ANALISI GENERICA
Strumento per l'analisi della
composizione spettrale della
radiazione elettromagnetica
emessa da una sorgente e dispersa
da un prisma.
ESPERIMENTO
 I° elemento: SOLE
 II° elemento: SODIO
incandescente
 III° elemento: TUBO
AL NEON
Ogni striscia=λ= fotoni
di determinata energia
SPETTRO CONTINUO DEL
SOLE
STRUTTURA DEGLI
SPETTROSCOPI
COSTRUZIONE SEMPLICE DI
UNO SPETTROSCOPIO

Si prende una semplice scatola di cartone, su
un lato si pratica una fessura di circa 1 cm di
ampiezza per l’ingresso delle luce; sul fondo
si pone il reticolo di diffrazione della luce, che
riflette la luce scomponendola nelle sue
componenti. Un reticolo si può semplicemente
ricavare tagliando 2 cm di un CD fuori uso, in
quanto possiede una superficie argentata e
riflettente. La luce scomposta e riflessa è
mandata a una seconda apertura di 2 cm di
lato, fuori dalla quale si pone uno schermo
(ad esempio un semplice foglio di carta
bianca) sul quale appariranno i diversi colori.
Si deve prestare attenzione che la luce in
ingresso e quella in uscita formino un anglo i
45°. Per evitare interferenze con la luce in
ingresso e quella in uscita è opportuno porre
in corrispondenza del reticolo di rifrazione uno
schermo di cartone nero che arriva a 2 cm
della superficie del reticolo medesimo.