ONDE ELETTROMAGNETICHE ONDE ELETTROMAGNETICHE campo elettrico UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO; QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO MAGNETICO + corrente VICEVERSA UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE NEL TEMPO GENERA UN CAMPO ELETTRICO campo magnetico • QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA’ ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICO • UNA CARICA ELETTRICA IN MOTO EMETTE O ASSORBE ONDE ELETTROMAGNETICHE QUANDO E’ SOGGETTA AD ACCELERAZIONI ONDE ELETTROMAGNETICHE LE PROPRIETA' DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE E DELLA LORO PROPAGAZIONE SONO SINTETIZZATE NELLE EQUAZIONI DI MAXWELL Dalla risoluzione delle equazioni di Maxwell risulta che: E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto alla velocità della luce C = 3*108 m/s CHE COSA E' UN' ONDA? Onda Perturbazione dello stato di un corpo o di un campo dovuto al trasporto di energia. Le onde acustiche trasmettono energia al mezzo in cui si propagano attraverso il moto vibrazionale delle molecole. A vibrare sono i vettori posizione, velocità e accelerazione. Le onde elettromagnetiche trasmettono energia perturbando lo stato del campo elettromagnetico. A vibrare sono i campi elettrici e magnetici. Onda periodica Onda che presenta la stessa configurazione in intervalli successivi. Un’onda sinusoidale è un’onda periodica la cui descrizione è data da una funzione trigonometrica. COME si CARATTERIZZA UN'ONDA Lunghezza d’onda [m] () Distanza, in un’onda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale). Frequenza [Hz=s-1] (f oppure ) Numero di ripetizioni di un’onda nell’unità di tempo. Periodo [s] (T) Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali. Velocità [m/s] (v) Velocità di movimento del fronte d’onda. Ampiezza (A) Legata alla quantità di energia trasportata. 1 T f v T f Esercizio: calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo 10 msec [f=100 Hz] Esercizio: calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è 340 m/s [λ = 3.4 m] ONDE MECCANICHE ONDE MECCANICHE: onde acustiche ONDE SONORE infrasuoni sensibilità orecchio umano 20 Hz < f < 2 104 Hz varia = 344 m s–1 vH2O = 1450 m s–1 v=f ultrasuoni 17.2 m < < 1.72 cm 72.5 m < < 7.25 cm Velocita' di progazione delle onde acustiche v T f ONDE ELETTROMAGNETICHE Vibrazione dei campi elettrico e magnetico • disegno Intensità: l’energia che un’onda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo di tempo t: I=E/(A*t) (W/m2) Esercizio: calcolare la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica di frequenza 6x1014 Hz [500 nm] SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. alternate onde onde visibile UV Xe 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1014 1015 1017 1022 Hz 1011 Ogni tentativo di applicare le leggi della meccanica classica e dell’elettromagnetismo a atomi e molecole e’ risultato infruttuoso Meccanica quantistica (orbitali, legami, quantizzazione orbite) Planck: scambi di energia su scala atomica avvengono solo per quantità molto piccole ma irriducibili dette quanti Einstein: fotone, particella priva di massa con energia e quantità di moto definite A qualsiasi frequenza le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse e assorbite sotto forma di fotoni TEORIA DEI QUANTI Lo studio dell’interazione tra le onde elettromagnetiche e gli atomi e le molecole ha condotto alla scoperta di proprietà corpuscolari delle onde elettromagnetiche • Esercizio: quanto vale l’energia trasportata da un fotone di lunghezza d’onda 600 nm [E= 2 eV] NUCLEO E FORZA NUCLEARE L’ ATOMO + Raggio del nucleo 10-15 m = 1fm Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI) costituiscono il NUCLEO dell’atomo, + + attorno al nucleo sono disposti su differenti orbite gli elettroni (e) X Z : NUMERO ATOMICO numero dei protoni e degli elettroni dell’atomo A: NUMERO DI MASSA numero dei protoni + neutroni presenti nell’atomo TRANSIZIONI ATOMICHE Gli elettroni sono legati nell’atomo, ovvero la transizione di un elettrone a un qualsiasi livello diverso da quello fondamentale avviene al prezzo della somministrazione di una quantita’ di energia pari alla differenza energetica tra i due livelli, mentre l’elettrone si libera dall’atomo solo fornendo un’energia pari all’ energia di legame. • La forza di attrazione coulombiana tra due protoni nel nucleo vale circa 25 kg peso. • La forza di gravita’ tra le masse protoniche e’ attrattiva ma totalmente insufficiente ad opporsi alla repulsione coulombiana: alle distanze nucleari e’ dell’ordine di 10-30 dyne. • E’ necessario ipotizzare l’esistenza di una forza attrattiva che agisce solo nel nucleo (a breve raggio d’azione dunque) e molto intensa. Questa forza e’ chiamata forza nucleare forte. • Nei nuclei agisce anche una seconda forza nucleare, chiamata forza nucleare debole, responsabile di alcuni fenomeni nucleari come certi decadimenti radioattivi. LA FORZA NUCLEARE FORTE U(r) Energia potenziale nucleare in funzione della distanza di separazione nucleone-nucleone Raggio del nucleo 10-15 m = 1fm 0 0.5 forza repulsiva 1 1.5 r (fm) forza attrattiva UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA Usualmente si misurano le masse degli atomi in UNITA’ DI MASSA ATOMICA a.m.u. che è 1/12 della massa di 1 atomo di 12C 1 a.m.u.=( 1.99*10-23 g) / 12 = 1.66*10-24 g mp= 1.007593 a.m.u. mn= 1.008987 a.m.u. me= 0.000552 a.m.u. Per un generico atomo di numero atomico Z e numero di massa A M(a.m.u.) = Z mp + (A-Z) mn + Z me Esercizio: quanto vale la massa del 17O espressa in a.m.u.? [17.146043] DIFETTO DI MASSA DEI NUCLEI • La massa del 17O, calcolata a partire dalle singole masse atomiche dei suoi costituenti, vale 17.146053 a.m.u., eppure la misura sperimentale risulta 17.004553 a.m.u.; i due valori presentano una discrepanza Δm=0.131510 a.m.u. che prende il nome di DIFETTO DI MASSA e si riscontra in tutti i nuclei. • I neutroni e i protoni sono legati nel nucleo come gli elettroni sono legati nell’atomo. Come per separare gli elettroni nell’atomo bisogna fornire un’energia pari all’energia di legame, allo stesso modo per separare i neutroni dal nucleo bisogna fare del lavoro. • Il difetto di massa rappresenta la massa equivalente al lavoro che deve essere fatto per separare i protoni e i neutroni dal nucleo. Esercizio: si calcoli il difetto di massa del 17O in g Esercizio: per mezzo dell’equivalenza massa-energia, stabilita dalla teoria della relativita’ E=mc2, si calcoli l’energia corrispondente al difetto di massa del nucleo di 17O • L’energia di legame per nucleone del 7.20 MeV 17O vale dunque 122/17= ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Energia di legame per nucleone (MeV) Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV 8 0 50 100 Numero di massa A Regione di massima stabilità Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte l’energia di legame decresce GLI ATOMI STABILI E INSTABILI Per A elevati, la repulsione coulombiana tende prevalere sulla forza nucleare forte: Curva di stabilita’ NEUTRONI n per mantenere la stabilità il sistema reagisce arricchendo il nucleo di neutroni, anch’essi soggetti alla forza forte N=Z per Z>82 non esistono nuclei stabili i nuclei instabili che si formano “decadono” in altri nuclei 20 3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO 82 PROTONI p PROCESSI DI DECADIMENTO • per A molto elevati XAZ XA-4Z-2 + He42 • per Z N decadimento ALFA emissione di nuclei di elio decadimento BETA XAZ XAZ+1 + e- + emissione di elettroni o XAZ XAZ-1 + e+ + positroni • nucleo in stato eccitato XAZ * XAZ+ decadimento GAMMA emissione di fotoni SPETTRO ELETTROMAGNETICO SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. alternate onde onde visibile UV Xe 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1014 1015 1017 1022 Hz 1011 Da dove originano? • Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche • Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. alternate onde onde visibile UV Xe 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1014 1015 1017 1022 Hz 1011 • Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche • Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Energia di legame per nucleone (MeV) Piu’ bassa per gli elementi di basso numero atomico, cresce rapidamente fino a raggiungere il valore quasi costante di circa 8 MeV 8 0 50 100 Numero di massa A Regione di massima stabilità Per A 100, la repulsione coulombiana ( Z2 ) tende a prevalere sulla forza di nucleare forte l’energia di legame decresce SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. alternate onde onde visibile UV Xe 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1014 1015 1017 1022 Hz 1011 • Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche • Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) SPETTRO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. alternate onde onde visibile UV Xe 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1014 1015 1017 1022 Hz 1011 • Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche • Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio • Carica in moto accelerato emette onde elettromagnetiche • Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse o assorbite nella materia sotto forma di fotoni f = E1-E2/h Quali transizioni danno origine a E1 – E2 ? - le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X - nelle transizioni nucleari vengono emessi raggi X e raggi gamma (possono essere anche prodotti artificialmente) - circuiti oscillanti danno origine a micro onde e onde radio - emissione termica dall’infrarosso all’UV