L'Atomo 27 Novembre 2020 - Luciano Maiani - Sapienza
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
L’Atomo
27 Novembre 2020
Luciano Maiani
Sapienza Università di Roma
INFN, Sezione di Roma1
1
L’Atomo
• Continuando, possiamo dividere l’acqua in porzioni sempre
piu’ piccole, che però hanno tutte le proprietà fisiche e
chimiche dell’acqua. Possiamo continuare all’infinito?
⋯ ??
• In effetti, in geometria un segmento si può suddividere
all’infinito;
• 2500 anni fa, alcuni filosofi-scienziati (Democrito,
Lucrezio) arrivarono alla conclusione che la materia fosse
invece discontinua e che si dovesse arrivare a degli oggetti
che non si possono piu’ suddividere: gli ATOMI !!
• Oggi pensiamo che la suddivisione si arresti a degli oggetti
microscopici che hanno le stesse proprieta chimiche
dell’acqua e che chiamiamo molecole (piccole masse)
• A loro volta le molecole sono costituite da un (piccolo o
grande) numero di oggetti fisici, che non si possono piu’
scomporre con i metodi chimici, gli atomi
Hanno chiesto a Richard Feynman, uno dei più geniali fisici del
Novecento, quale fosse la più grande scoperta dell’Umanità.
La risposta: tutte le cose sono fatte di atomi
L’idea dell’atomo permette di orientarci nel mondo reale e
dà la chiave per spiegare un grande numero di fenomeni 2
Temperatura
• Oggi, abbiamo tutti ben presente che se la nostra temperatura supera t=37,5 0C
abbiamo la febbre e ci dobbiamo preoccupare. Ma..cos’è la temperatura?
• Consideriamo un gas in una bottiglia. A livello microscopico, ci appare come
una nuvola di molecole in moto, che si urtano tra loro e con le pareti del gas
• dalle leggi della meccanica si può calcolare il numero di molecole che hanno
una data velocità (Maxwell,1866 ) e risulta che la media delle velocità al
quadrato è proporzionale alla temperatura:
1 2 3
m⟨v ⟩ = kT
2 2
(m=massa della molecola, T= temperatura assoluta= t (0C) - 273, k una costante
(di Boltzmann))
• per l’Idrogeno a temperatura ambiente ⟨v 2⟩ = 1332 m /s !
• La temperatura è semplicemente la misura di quanto è violento il moto delle molecole:
l’ agitazione termica
• se mettiamo un corpo caldo A in contatto con un corpo più freddo B, B si scalda perchè
l’agitazione termica di A si comunica a B attraverso gli urti che avvengono nella zona di
contatto, tra le molecole di A e quelle di B. Stesso per la pentola scaldata dalla fiamma del gas.
• Per molto tempo si è pensato che il calore fosse un fluido speciale (il calorico) che passa da A a
B: atomi e molecole riconducono tutto agli urti meccanici
L’agitazione termica si ferma a t=-273 0C ? è lo zero assoluto ! su questo dobbiamo ritornare…
3
Cambiamenti di Stato
• Quando T si riduce, la velocità delle molecole diminuisca e le forze attrattive tra molecole
prevalgono: l’acqua diventa ghiaccio a 0 0C, una miscela di acqua e sale congela a -32 0C;
• Quando T aumenta, le molecole superano la barriera delle forze: l’acqua evapora a 100 0C a
pressione di 1 atm, l’idrogeno liquido evapora a -240 0C a pressione di 13 atm;
• le temperature di congelamento e di evaporazione sono determinate dalle forze intermolecolari
Fusione Riscaldamento Evaporazione
Vapor
Cambiamenti di Stato
Ghiaccio
d’acqua
Raffreddamento
4
Pesare le molecole
• Gli urti delle molecole di un gas sulle pareti di un recipiente di
volume V determinano la Pressione: è quello che gonfia i
gommoni marini
• C’e’ una relazione tra Pressione,Volume, Temperatura e numero
di atomi nel recipiente, che si chiama l’Equazione di Stato
• l’aspetto saliente dell’Equazione di Stato e’ che
• Pressione, Volume e Temperatura fissano il numero delle molecole del gas
OVVERO
• bombole con gas diversi, ma con uguali pressione (P), volume (V) e
temperatura (T), contengono lo stesso numero di molecole
• convenzionalmente, chiamiamo grammomolecola (mole)
la quantità di gas di quella molecola che si trova in V= 22,4 litri, P =1 atmosfera, t
=0 0C (V=volume normale)
• il peso di una mole di una certa sostanza è quindi uguale al peso della sua
molecola moltiplicata per il numero di molecole, il Numero di Avogadro, N
peso 1 mole di ossigeno
es. si trova che: = 16
peso di 1 mole di idrogeno
→ la molecola dell’ossigeno pesa 16 volte quella dell’idrogeno
5
Contare gli Atomi attraverso le reazioni chimiche
• La formazione di composti avviene per reazioni tra le molecole dei reagenti
presenti nel gas
• i volumi normali di reagenti e composto sono in relazione al numeri di atomi
nelle molecole, che devono essere numeri interi (Dalton, 1808)
• Si osserva che:
2 volumi normali di H (idrogeno) + 1 volume normale di O (ossigeno)→ 2 volumi normali di vapor
d’acqua
la molecola di ossigeno deve essere O2 (almeno)
la molecola di idrogeno potrebbe essere:
H1 (acqua= HO), H2 (acqua= H2O),…Hn (acqua= HnO)
• Si osserva anche che:
3 volumi normali di H (idrogeno) + 1 volume normale di N (azoto)→ 2 volumi normali di ammoniaca
la molecola di azoto deve essere N2 (almeno)
se la molecola di idrogeno è Hn e ammoniaca è HmN
3n =2m →n=2, m=3 (almeno)
• Conclusione: Idrogeno: H2 , Ossigeno: O2 , acqua: H2O, ammoniaca: H3N
Come sta scritto in tutti i libri di Chimica
6
Quanti sono gli elementi in Natura?
L’ONU ha dichiarato il 2019:• Mendeleev aveva ordinato gli elementi secondo le affinita’ chimiche
Anno della Tavola degli • elementi sulla stessa colonna devono avere la stessa valenza chimica
Elementi • per questo, i “periodi” (elementi nella stessa riga) hanno lunghezze diverse
(Z) Numero Atomico (Z)
Quanti atomi (elementi)
diversi per spiegare le (A)
cose in Natura?
Peso Atomico (A)
L’Uranio (Z=92)
è l’ultimo elemento
naturale
i successivi sono
fortemente instabili e
sono prodotti in7
laboratorio
Atomi e cariche elettriche
• Le molecola H2O,
nell’acqua, si dissociano in
ione positivo H+ e ione
negativo (HO)-
• gli ioni (HO)- vanno al
polo positivo (anodo) e si
neutralizzano cedendo le
cariche negative:
4(OH )− → H2 + H2O
• la pila assorbe le cariche
Tutto comincia con la Pila di Alessandro negative di (HO)- e le
Volta (1799) . CNR, Sala Marconi trasferisce al polo negativo
dove neutralizzano gli ioni
Amperometro
H+
Pila 4H + → 2H2
• In totale: 4H2O + 4F = 4H2 + 2O2
• i gas si liberano al catodo e all’anodo. Se mettiamo due contenitori,
vediamo che H2 è due volte O2 in volume.
• F è la quantità di carica (negativa) che deve fluire dall’anodo al
catodo per neutralizzare una mole di cariche atomiche. Si trova un
valore chiamato costante di Faraday (dal nome del fisico che ha
formulato le leggi dell’elettrolisi, 1833), che appare in tutti i
processi elettrolitici
• Si trova F=96485 Coulomb 8
L’ elettrone (J. J. Thomson,1897)
J. J. Thomson (1897) studia i raggi catodici: raggi emessi
dal catodo in un tubo a gas in cui si produce una scarica
elettrica
• mostra che sono particelle con carica elettrica negativa
1
• si muovono ad alta velocità ∼ 10 velocità della luce
q q(H +)
• Thomson misura il rapporto m ∼ 1820 × mH+
• Una particella completamente inattesa, che Thomson chiama elettrone;
• l’elettrone emerge dagli atomi ionizzati del gas (che hanno carica uguale e di segno
mH
opposto) ed ha una massa me = , praticamente trascurabile rispetto alla massa di H.
1820
• L’elettrone porta la carica negativa degli ioni: F = qeN ---
• Chi porta la carica positiva?
--- ---
• Nel 1900, W. Thomson (Lord Kelvin) propone un modello dell’atomo in cui gli ----
elettroni sono all’interno di una nube di carica elettrica positiva, un pò come le ---
uvette nel panettone (plum pudding)
• In un progetto ambizioso, la Teoria dell’Elettrone, H. A. Lorentz, prova a spiegare, L’atomo di Thomson
con considerevole successo, le proprietà della materia a partire dalle proprietà
dell’elettrone e dalle leggi di Maxwell
• è la frontiera estrema della fisica classica (prima della Mecanica Quantistica, di cui
tra poco) e il primo esempio di Teoria del Tutto.
9
Il Moto Browniano Lucrezio, De Rerum Natura, l. 2 ogni volta che raggi penetrati infondono la luce del sole nell'ombra delle case: molti minuti corpi in molti modi, attraverso il vuoto vedrai mescolarsi nella luce stessa dei raggi, Molte particelle infatti ivi vedrai stimolate da urti ciechi cambiar cammino e indietro respinte ritornare, or qui or lì, da ogni punto verso qualunque parte. Certo questo errante movimento ha per tutti origine dagli atomi. I grani di polvere visibili a occhio nudo, in realtà, sono troppo grandi per essere sensibili al moto degli atomi e il loro moto nei raggi del sole e’ dovuto soprattutto alle correnti convettive dell’aria nella stanza. Tuttavia, quella di Lucrezio, è una descrizone perfetta del moto di micrometrici grani di polline sospesi in acqua, osservato nel 1827 dal botanico Robert Brown: (Moto Browniano. Wikipedia)…osservò che i granuli di polline erano in continuo movimento e che in ogni istante tale moto avveniva lungo direzioni casuali. Dopo avere appurato che il movimento non era dovuto a correnti o evaporazione dell'acqua, Brown pensò che queste particelle fossero "vive", analogamente agli spermatozoi. Verificò quindi la sua teoria eseguendo lo stesso esperimento con una pianta morta, con minuscoli frammenti di legno fossile e con frammenti di vetro, osservando tuttavia lo stesso fenomeno. Ciò significava che il movimento delle particelle non era da attribuire ad alcuna "forza vitale", ma Brown non seppe fornire nessun'altra spiegazione a tale fenomeno. 10
Il Moto Browniano A. Einstein, L. Infeld, L’Evoluzione
della Fisica, Bollati Boringhieri, 2011
simulazione al computer del
moto di una particella in un
gas di atomi in moto casuale
(Wikipedia)
Jean Baptiste Perrin, Les Atomes. Motion of
colloidal particles of radius 0.53 µm, as seen
under the microscope, are displayed. Successive
positions every 30 seconds are joined by straight
line segments (the mesh size is 3.2 µm).
Wikipedia. 11Peso e dimensioni dell’atomo (1911)
• A. Einstein, nel 1905, formula la teoria del Moto Browniano attribuendo il moto dei
granelli agli urti casuali degli atomi
• trova che la distanza quadratica media tra x(t=0) e x(t) deve aumentare come t ,
con un coefficiente che dipende dal Numero di Avogadro
• J. B. Perrin 1911 trova
23 molecole
N = 6.06 ⋅ 10
grammomolecola
• da qui troviamo le dimensioni fisiche di un atomo d’idrogeno
• peso (H)=1.6 10-24 gr
( 4πN )
1/3
3
r(H) = 0.7 ⋅ 10−8 cm = 0.7 Angstrom
•
• qe = − qH+ = − 1.59 ⋅ 10−19 Coulomb
Il valore di N e le proprietà fisiche degli atomi che ne
conseguno hanno trovato, da allora, innumerevoli conferme.
L’ipotesi della costituzion atomica della materia è una realtà
fisica da prendere come base per l’esplorazione della Natura.
12La Radioattività
• 1896. Bequerel scopre la radioattivita’ beta: sali di
uranio sono capaci di impressionare una lastra
fotografica.
• Nel 1898 Maria Skłodowska Curie e Pierre Curie,
studiando la radioattività dell’Uranio, scoprono gli
elementi radioattivi Polonio e Radio.
• Ernest Rutherford, studia l’effetto di un campo
magnetico e identifica la natura dei tre tipi di
radioattività:
• alfa (ioni He++), beta (elettroni), gamma (radiazione
elettromagnetica di altissima frequenza).
Alpha and beta particles have
opposite charges: they undergo
deflection in opposite directions .
Gamma rays do not carry any
charge: they are undeflected.
distinguished by using a magnetic field
13L’esperimento di Rutherford (1909) e la struttura dell’atomo
... It was quite the most incredible event that has ever
happened to me in my life. It was almost incredible as if you
fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came
back and hit you. (E. Rutherford, 1936)
• Gli elettroni sono molto piu leggeri delle
particelle alfa e non possono deviarle
apprezzabilmente
• se la materia positiva fosse diffusa su tutto
l’atomo (Thomson) non ci sarebbero forti
deviazioni nel passaggio delle praticelle alfa
attraverso gli atomi
• la presenza di urti in cui le particelle alfa
“tornano indietro” indica che la carica
positiva dell’atomo è concentrata in un
piccolo “nucleo”, che contiene praticamente
tutta la massa dell’atomo.
• L’atomo di Rutherford assomiglia a un sistema planetario, in cui gli elettroni ruotano intorno ad un
nucleo che li attrae per effetto delle forze elettriche: il Nucleo Atomico
• Rutherford stima che le dimensioni del nucleo sono circa 100.000 volte inferiori al raggio dell’atomo.
• PROBLEMA. Secondo le leggi della Meccanica Classica e le equazioni di Maxwell
dell’elettromagnetismo, l’atomo di Rutherford NON È STABILE, gli elettroni dovrebbero perdere
energia per l’irraggiamento di onde eletromagnetiche e cadere inesorabilmente nel nucleo in tempi
brevissimi. È la CRISI DELLA MECCANICA CLASSICA ?????
• Inoltre: COSA C’È NEL NUCLEO ?????
14Meccanica Quantistica: una cronistoria ultra-sommaria
• 1900. Max Planck introduce la quantizzazione delle oscillazioni del campo
elettromagnetico, appare la costante di Planck, h
• 1905. Albert Einstein spiega l’effetto fotoelettrico assumendo che la luce si propaghi
per particelle, i fotoni. Il fotone soddisfa la relazione frequenza-energia di Planck:
E = hν
• 1910. Niels Bohr assume la quantizzazione del momento angolare dell’elettrone
nell’atomo di idrogeno di Rutherford e ottiene una formula per le righe dello spettro
dell’idrogeno che si adatta perfettamente ai dati sperimentali. Il primo modello
dell’atomo che funziona! ma non è ancora una teoria
• 1924. Luis de Broglie avanzava l’ ipotesi che oggetti classificati come particelle con
h
quantità di moto p debbano essere descritti da un’ onda, di lunghezza d’onda: λ =
p
• 1925 Werner Heisenberg, Max Born e Pascual Jordan formulano la Meccanica
Quantistica in termini di matrici non-commutative. Il Principio di Indeterminazione.
• 1925. Erwin Schroedinger publica un’equazione d’onda per il moto dell’elettrone e
dimostra la formula di Bohr per i livelli dell’Idrogeno. Le due Meccaniche, ondulatoria
e delle matrici, sono matematicamente equivalenti
• 1928. Paul Adrien Maurice Dirac deriva l’quazione relativistica dell’elettrone e
prevede l’esistenza di un antielettrone con carica elettrica positiva, che verrà chiamato
positrone: l’antimateria.
• 1929. Enrico Fermi, professore a Firenze, scopre le leggi statistiche cui obbediscono
gli elettroni, giustificando il Principio di Esclusione di Pauli ed aprendo la strada alla
comprensione della fisica della materia condensata.
15Lo spostamento dei problemi
• E. Segrè descrive così il passaggio della scuola di Roma dalla fisica
atomica alla fisica nucleare.
• Dal 1929 cominciammo a pensare che il centro di interesse della fisica
si stava spostando dai problemi atomici a quelli nucleari, Corbino fece
pubblicità all’idea in un discorso profetico di quell’anno: ‘..L’unica
possibilità di grandi scoperte in fisica sta nella possibilità di riuscire ad
attaccare il nucleo atomico...’ . Queste la parole, ma ad esse dovevano
corrispondere i fatti e, nel caso specifico del gruppo di Fermi, questo
implicava la necessità di apprendere un campo della fisica interamente
nuovo, incluse le sue tecniche sperimentali (E. Segrè, Italian Physics in
Amaldi’s Time, Roma, 1978).
16L’ immagine della materia negli anni ’30, dopo
la scoperta del neutrone
- E’ quella che vi hanno insegnato a scuola
- per molti versi, sufficiente ancora oggi per un primo orientamento
- tre tipi di forze fondamentali: elettromagnetica, forte (nucleare), debole (decadimento beta)
Cristallo Atomo (dim. ≈ 10-8 cm)
E. Fermi
Elettroni
N !P +e+⌫
Protoni e Neutroni
Nucleo atomico (dim. ≈ 10-13 cm) (1932)
Due “coppie” di particelle
elementari, più il fotone e il H. Yukawa. Le Forze Nucleari sono
mesone di Yukawa possono trasmesse da una particella di massa
spiegare tutto il mondo circa 200 volte la massa dell’ elettrone:
osservato? il mesone π
✓ ◆ ✓ ◆
P ν γ π?
N e
Brugherio, 28/10/2016 L. Maiani. Cosmo e MicrocosmoI ragazzi di Via Panisperna (1934)
• (da destra):
• Fermi
• Rasetti
• Amaldi
• Segrè
• D’Agostino
...Pontecorvo
...era dietro la macchina fotografica
Brugherio, 28/10/2016 L. Maiani. Cosmo e MicrocosmoOggi: microscopio a effetto tunnel e nanotecnologie
Scanning Tunnelling Microscope (STM)
image of PTCDA molecules adsorbed on a
Graphite surface. The logo of the Center for
NanoScience (CeNS) in Munich, Germany,
was written with the STM tip by reducing the
tip-sample distance (compared to the imaging
distance) and moving the tip along predefined
vectors (nanomanipulation paths). This action
removed molecules from the adsorbate layer
along the manipulation paths.
19Il numero di transistor integrati in un microprocessore è
raddoppiato ogni due anni dagli anni settanta ad oggi (legge di
Moore)
1 nm=10 A~10 atomi in fila
Le tecnologie più avanzate
permettono oggi dimensioni
del chip di 45 nanometri ~
450 atomi in fila
Se la progressione di di
Moore continua, saremo alla
dimensione di 1 atomo
intorno al 2050
Nel regno della Meccanica
Quantistica, Principio di
indeterminazione…???
Quantum Computers??
8-09-2013 Balzan2013 - ICQ 20Costituenti della materia e forze fondamentali,
2018
The Standard Model
Quarks
Force particles
Nicola Cabibbo
Murray Gell-Mann
Leptons
Sheldon Glashow
Steven Weinberg
Abdus Salam Carlo Rubbia
Materia ordinaria: @ ICTP Trieste
composta dai quark e
leptoni piu’ leggeri
Sheldon Glashow, John
Iliopoulos, Luciano Maiani
Makoto Kobayashi , Toshihide
Maskawa
Robert Englert e Peter Higgs
I quark piu’ pesanti sono instabili:
che ruolo hanno nell’ Universo?
Peter Higgs @ Erice, 2007
(con Verònica Riquer)
Brugherio, 28/10/2016 L. Maiani. Cosmo e MicrocosmoMolte grazie per l’attenzione
Stay Tuned !!!
22Puoi anche leggere
