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PROGRAMMA DI FISICA CLASSE V LICEO SCIENTIFICO

fisica


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ALTRI DOCUMENTI

ELETTRODINAMICA - Studio della dipendenza esistente tra l'intensità di corrente e la differenza di potenziale.
IL VENTURIMETRO - RELAZIONE DI MACCHINE
RAPPRESENTAZIONE TEMPORALE DEI SEGNALI PERIODICI
Verificare le leggi del piano inclinato attraverso una carrucola mobile
TRASFORMAZIONE DEL LAVORO MECCANICO IN CALORE
Equilibrio di corpi - Capire il concetto di componente
Esercitazione di tecnologia
Risposta in ampiezza e in frequenza di un amplificatore ad emettitore comune
Termodinamica - Schema di una macchina termica
LA DENSITA' - MISURA DELLA DENSITA' DI SOLIDI

PROGRAMMA DI FISICA CLASSE V LICEO SCIENTIFICO

 

Indice

 

Fenomenologia della carica elettrica_ 2

Campo magnetico_ 7

Relatività ristretta_ 9



Modelli atomici 9

Fisica nucleare 10

Effetto fotoelettrico_ 13

Effetto Compton_ 13

 

Fenomenologia della carica elettrica

·         x Prima interpretazione della carica elettrica: proprietà dei corpi che, strofinati, attraggono piccoli oggetti

o        studio con vetro (+) ed ambra (-)

·         x dispositivi rivelatori di carica

o        pallina appesa: consente di verificare lo spostamento a seconda delle bacchette cariche che sono avvicinate

o        elettroscopio a foglioline metalliche: in situazione di equilibrio le foglioline stanno dritte e vicine, sottoposte a carica si aprono in quanto caricate del medesimo segno

·         x materiali

o        isolanti: materiali in cui la carica elettrica rimane localizzata nel punto in cui è stata prodotta

o        conduttori: materiali in cui la carica elettrica si propaga a tutto il corpo

·         x Induzione elettrostatica: la possibilità di separare temporaneamente le cariche avvicinando un corpo carico ad un conduttore

o        induttore: corpo elettrizzato che produce l'induzione

o        indotto: corpo che subisce l'induzione

o        l'induzione permette di fornire un'altra definizione di isolante/conduttore: corpo che subisce l'induzione elettrostatica (conduttore) oppure no (isolante)

·         x induzione completa: quando in un pozzo di Faraday (per riferimento, una sorta di bicchiere cilindrico) si avvicina una sfera carica, si ha l'induzione elettrostatica tra le pareti del pozzo, che si evidenzia mediante il collegamento della faccia esterna ad un elettroscopio a foglioline; al contatto della sfera carica, si neutralizzano le cariche della sfera stessa e della parete interna del pozzo, ma non quelle della parete esterna, fenomeno evidenziato dal fatt 434f52e o che le foglioline metalliche dell'elettroscopio rimangono aperte comunque allo stesso angolo

·         x elettroforo di Volta: strumento formato da un disco di resina (-) ed uno metallico; lo scudo metallico è polarizzato per induzione elettrostatica, poi viene toccato nella parte superiore con un dito che, comunicando con il corpo a terra, neutralizza la carica negativa superficiale: il risultato è che lo scudo risulta caricato solo positivamente

·         x equilibrio elettrostatico: stato in cui le cariche in un conduttore sono ferme

·         x distribuzione delle cariche su di un conduttore: le cariche tendono a distribuirsi sulla superficie del conduttore, se questo è in equilibrio elettrostatico

·         Prima formulazione della legge di Coulomb:

·         Formulazione definitiva della legge di Coulomb:  , in cui

o         è la costante dielettrica assoluta del vuoto pari a  oppure

o         è la costante dielettrica del mezzo interposto rispetto al vuoto

o         è pari a

o        Coulomb: quantità di carica elettrica che, posta nel vuoto alla distanza di 1 metro da un'altra carica uguale almeno in valore assoluto, la attrae o la respinge con la forza di

·         Energia potenziale elettrica di una carica in un campo elettrico:  

o        significato: è il lavoro necessario per spostare la carica dall'infinito a quel punto

·         Densità di carica:

·         x campo: proprietà di uno spazio fisico dovuta alla presenza di un insieme di entità fisiche e descritta da opportuna funzione scalare o vettoriale della posizione dello spazio

·         Campo elettrico

o        x definizione: funzione vettoriale che rappresenta la forza esercitata su di una carica di prova q in un punto dello spazio, per effetto di una preesistente distribuzione di cariche non alterate dalla presenza di q

o        x campo elettrostatico: definito come il rapporto tra la forza di attrazione/repulsione (forza di Coulomb) e la carica di prova su cui è esercitata

o        si definisce come campo elettrico un vettore di modulo , direzione secondo la congiungente la carica sorgente Q con la carica di prova e verso opportuno (se Q>0, allora il verso è uscente; se Q<0 allora il verso è entrante)

o       

·         Flusso del campo elettrico

o        flusso di un campo elettrico: è la portata di un campo elettrico E attraverso una superficie S

o        in formula è  

o        unità di misura: N/C*m^2

o        x teorema di Gauss: considerando una carica puntiforme (campo elettrico costante a parità di distanza dalla carica) ed una superficie sferica immaginaria, si ha che , con  considerato come porzione molto piccola della superficie della sfera tale che il vettore campo elettrico ed il vettore superficie siano ortogonaliÞ il flusso totale del campo elettrico è ;
Ma, essendo ciascun  costante, ed essendo la somma di tutte le porzioni di superficie  una sfera, si ha che il flusso totale del campo elettrico è

§         xenunciato del teorema di Gauss: il flusso del campo elettrico generato da un sistema di cariche uscente da una superficie chiusa S è pari a , con  pari alla somma delle cariche contenute nella superficie S

§         N.B.: il teorema vale per qualsiasi superficie chiusa e limitata, di qualsiasi forma e dimensione [ci si può immaginare ciascuna superficie irregolare come un insieme di porzioni di superfici sferiche...]

§         N.B.2: se la carica è esterna alla superficie, allora il flusso attraverso tale superficie è nullo

·         Campo elettrico di lastra indefinita:

o        x dimostrazione a partire dal teorema di Gauss: considerando una lastra di dimensioni indefinite e con densità di carica uniforme, ed un cilindretto noto ortogonale ad essa e disposto simmetricamente, si ha che il flusso attraverso il cilindro è pari a , con S pari alla superficie di base del cilindretto (non esiste flusso attraverso le pareti in quanto il prodotto vettoriale sarebbe nullo; il flusso è doppio in quanto due sono le basi del cilindretto in cui viene misurato).
Tuttavia, per il teorema di Gauss si ha che , con Q pari all'insieme delle cariche nella superficie S considerata nella lastra; ma, allora, , in quanto il rapporto tra Q ed S deve essere pari alla densità costante di carica.

·         x Campo elettrico di un filo infinitamente lungo: , con l pari alla densità lineare di carica ed r pari alla distanza dal filo

·         Campo elettrico di un condensatore

o        condensatore piano: apparato costituito da due lastre metalliche piane isometriche, caricate con cariche opposte e a piccola distanza tra di loro

o         V/m o N/C, in quanto costituito da due lastre indefinite uguali e con la stessa densità di carica

o       

·         x Teorema di Coulomb: il campo elettrico in prossimità di un conduttore è pari a , con la densità di carica variabile

o        x potere dispersivo delle punte: per il teorema di Coulomb, il campo elettrico in una punta (dove la densità di carica è elevatissima a causa del fatto che le cariche tendono ad addensarsi) è particolarmente importante, tanto da riuscire ad ionizzare l'aria

·         Lavoro del campo elettrico

o        lavoro del campo elettrico costante:

§         x dimostrazione: qualsiasi traiettoria segua la carica, a parità di punti iniziale e finale, il lavoro è costante in quanto, riducendo il caso ad una traiettoria pari all'ipotenusa di un triangolo rettangolo in cui uno dei cateti è la distanza tra le lamine:

·         il lavoro lungo l'ipotenusa AC è pari a , con a pari all'angolo tra l'ipotenusa stessa e la distanza tra le lamine; tuttavia, , perciò

·         il lavoro lungo il cateto disposto parallelamente alla direzione delle lamine è nullo

o        lavoro del campo elettrico radiale:

§         x il campo elettrico radiale è un campo conservativo in quanto il lavoro dipende esclusivamente dalla distanza dalla sorgente, e non dallo spostamento complessivo della carica di prova (qualsiasi percorso segua la carica di prova, il lavoro rimane sempre quello)

·         Potenziale elettrico:

o        definito come il rapporto tra il lavoro compiuto dalla forza del campo elettrico per spostare una carica q all'infinito e la carica stessa (energia potenziale elettrica diviso carica di prova)

o        volt: potenziale necessario tra due punti di un campo elettrico perché una carica di 1 coulomb sia portata con 1 Joule di lavoro (J/C)

o        formule per il potenziale:

§         potenziale per una carica puntiforme:

§         differenza di potenziale tra le piastre di un condensatore:

·         questo significa che  e che l'unità di misura del campo elettrico può anche essere il volt/metro

§         x potenziale di un conduttore sferico: , con Q carica totale sulla superficie della sfera e R raggio della sfera

·         spiegazione: rispetto al centro della sfera, ciascun punto sulla superficie ha una differenza di potenziale dovuta al fatto che le cariche si dispongono sulla superficie

·         x conduttori sferici in equilibrio elettrostatico: collegando due conduttori carichi con potenziali diversi, si instaura un flusso di elettroni di conduzione dall'uno all'altro in modo che i potenziali risultino uguali

o        questo significa che in due conduttori sferici in equilibrio le cariche elettriche sono direttamente proporzionali ai raggi dei due conduttori e che, di conseguenza, i campi elettrici sulle superfici dei conduttori sono inversamente proporzionali ai raggi dei conduttori.

·         x corrente elettrica: definita come qualsiasi movimento ordinato di cariche elettriche

o        nei conduttori metallici è dovuta al movimento di elettroni liberi (elettroni di conduzioni) che è caratteristica di ogni metallo ad ogni temperatura [motivazione: gli atomi degli elementi metallici sono talmente vicini che alcuni vengono liberati]

o        negli altri conduttori, è moto di ioni

o        equilibrio elettrostatico: gli elettroni liberi di muoversi non generano corrente elettrica e non danno differenza di potenziale in quanto il moto di uno si compensa col moto di un altro in senso opposto



o        velocità di deriva: velocità del moto ordinato degli elettroni in un conduttore metallico

o        verso convenzionale della corrente elettrica: da + a -

§         attenzione: se sussiste una differenza di potenziale ai capi di un conduttore metallico, il movimento di corrente è da - a +, perchè il flusso è di elettroni, che posseggono carica negativa

·         x forza elettromotrice: definita come il rapporto tra il lavoro compiuto dal generatore per portare la carica di prova q positiva dal polo negativo al polo positivo e la carica q stessa (simile alla differenza di potenziale; utilizza la stessa unità di misura, Volt):

o        per un generatore in circuito aperto: è pari alla differenza di potenziale del generatore

o        per un generatore in circuito chiuso: minore della differenza di potenziale del generatore (a causa della resistenza del conduttore)

o        generatori in serie: la forza elettromotrice è uguale alla somma dei singoli generatori [intuitivamente, pile in serie: il voltaggio è la somma, la durata è grossomodo quella della singola batteria]

o        generatori in parallelo: la forza elettromotrice è uguale a quella di ciascun generatore; la corrente elettrica generata è la somma delle correnti elettriche [intuitivamente, pile in parallelo: il voltaggio è lo stesso di ciascuna batteria, ma la durata è grossomodo la somma di quelle di ogni batteria]

·         x lavoro della corrente:

·         x potenza della corrente:

·         Capacità di un conduttore

o        definizione: rapporto tra la carica elettrica portata dal conduttore e il potenziale al quale il conduttore viene portato

o        unità di misura: farad = coulomb/volt

§         capacità di un conduttore caricato con un coulomb e con il potenziale di 1 volt.

o        capacità di un conduttore sferico:

o        per un condensatore:  oppure

§         conseguenza: la capacità di un condensatore dipende esclusivamente dalla sua geometria e dal dielettrico posto tra le sue armature, ed è direttamente proporzionale alla superficie della armature ed inversamente proporzionale alla distanza

·         condensatori in serie: condensatori collegati in modo da avere la stessa carica sulle piastre; il reciproco della capacità di un condensatore equivalente è la somma dei reciproci delle capacità dei condensatori in serie (sapere la dimostrazione - vedi libro)

o        ~ N una serie di condensatori può essere intesa anche come un condensatore in cui il dielettrico è disposto solo su di una lamina

·         condensatori in parallelo: condensatori collegati in modo da avere la stessa differenza di potenziale; la capacità di un condensatore equivalente è la somma delle capacità dei condensatori in parallelo (sapere la dimostrazione - vedi libro)

o       

~ N un parallelo di condensatori può essere inteso anche come un condensatore in cui il dielettrico è disposto su entrambe le lamine del condensatore ma non le copre tutte

·         Intensità di corrente

o        definizione: rapporto tra la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione qualunque del conduttore in un tempo t ed il tempo stesso

o        i = q/tÞ Ampere = Coulomb/secondo

o        x definizione di Ampere: è l'intensità di una corrente elettrica costante che, mantenuta in due conduttori paralleli rettilinei, di lunghezza indefinita e di sezione circolare trascurabile, posti a 1 metro di distanza nel vuoto, produce fra questi conduttori una forza F con modulo pari a  N per ogni metro di lunghezza [definizione tratta dalla sezione sul magnetismo, legge di Ampere]

·         Prima legge di Ohm

o        la resistenza elettrica a temperatura costante è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ed inversamente proporzionale alla intensità di corrente.

o        in altre parole, data una resistenza nota, è costante il rapporto tra differenza di potenziale e intensità di corrente

o       

o        : un conduttore ha resistenza pari ad 1 ohm se, applicando la differenza di potenziale di 1 volt, l'intensità di corrente che lo attraversa è pari ad 1 ampere

·         Seconda legge di Ohm

o        la resistenza di ogni conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza, inversamente proporzionale alla sua sezione e dipende dalla natura chimica del conduttore e dalla temperatura tramite un coefficiente di resistività  o resistenza specifica

o        resistenza specifica : resistenza elettrica offerta da un conduttore chimicamente definito della lunghezza di 1 metro e della sezione di 1 metro quadrato

§        

§         a = coefficiente specifico del conduttore

o       

·         Lavoro di un circuito [x effetto Joule, calore prodotto da un conduttore metallico attraversato da corrente elettrica]:  oppure

·         Potenza di un circuito [x potenza dissipata dall'effetto Joule]:  oppure

·         Resistenze in serie: resistenze collegate in modo da essere attraversate dalla stessa intensità di corrente; la resistenza equivalente è la somma di tutte le resistenze collegate (sapere la dimostrazione - vedi libro)

·         Resistenze in parallelo: resistenze collegate in modo che ai capi di esse vi sia la stessa differenza di potenziale; il reciproco della resistenza equivalente è la somma dei reciproci delle resistenze (sapere la dimostrazione - vedi libro)

·         x prima legge di Kirckhoff: la somma delle correnti che giungono in un nodo è uguale alla somma delle correnti che se ne allontanano o, anche, la somma algebrica delle correnti in un nodo è uguale a zero

·         x seconda legge di Kirckhoff: in ciascuna maglia di una rete elettrica la somma delle forze elettromotrici uguaglia la somma delle cadute ohmiche (prodotto della resistenza per la relativa instensità delle correnti)

·         ~ effetto Volta:

o        prima legge: al contatto fra due metalli diversi alla stessa temperatura si stabilisce una differenza di potenziale caratteristica della natura dei metalli e indipendente dall'estensione del contatto

o        seconda legge: in una catena di conduttori metallici alla stessa temperatura, la differenza di potenziale tra i due metalli estremi è la stessa che si avrebbe se essi fossero a contatto diverso

§         se due metalli sono uguali e sono agli estremi di una catena, non ci può essere differenza di potenzialeÞ una catena chiusa non può consentire passaggio di corrente alla stessa temperatura

o        terza legge: tra due metalli della stessa natura si produce una differenza di potenziale se sono gli estremi di una catena di cui fanno parte due metalli diversi con interposto un conduttore ionico

·         ~ effetto Seebeck:

o        per la seconda legge dell'effetto Volta in una catena chiusa di due metalli diversi mantenuti alla stessa temperatura non ci può essere passaggio di correnteÞ questo è dovuto al fatto che sarebbe una violazione del principio di conservazione dell'energia, in quanto gli elettroni che arrivano ad una giunzione perderebbero e acquisterebbero energia dovuta al potenziale di estrazione Ä ci sarebbe dissipazione termica senza alcuna fonte

o        tuttavia, se le giunzioni della catena sono mantenute a temperatura diversa, allora si instaura una certa circolazione di correnteÞ ciò è dovuto al fatto che gli elettroni nella giunzione "calda" ricevono energia sufficiente a compensare le perdite per effetto termico e per la seconda giunzione

·         termocoppia: dispositivo per misurare una temperatura a partire dalla misurazione della forza elettromotrice che si determina in una catena chiusasoluzioni elettrolitiche

o        elettrolita: sostanza che in soluzione si dissocia in ioni (acidi, basi, sali)

o        catodo: elettrodo con il polo negativoÞ il catione è attirato verso il catodo, ed è positivo

o        anodo: elettrodo con il polo positivoÞ l'anione è attirato verso l'anodo, ed è negativo

o        voltametro: il recipiente che contiene la soluzione elettrolitica

·         Legge di Faraday sull'elettrolisi: , con

o        M: massa di elettrolita depositato, grammi

o        k: costante di Faraday, pari a , coulomb

o        A: massa atomica dell'elettrolita, numero puro

o        Z: numero di valenza elettronica (altresì detto stato di ossidazione...) dell'elettrolita, numero puro

o        i: intensità di corrente, ampere

t: tempo, secondi

Campo magnetico

·         permeabilità magnetica delle sostanze: le sostanze si classificano a seconda della loro permeabilità magnetica  relativa rispetto al vuoto  [oppure rispetto alla loro suscettibilità magnetica ] in:

o        sostanze diamagnetiche: sono quelle per le quali la permeabilità magnetica relativa è indipendente dal campo e dalla temperatura e presentano un valore di  leggermente inferiore a 1; esse tendono a magnetizzarsi debolissimamente in direzione contraria rispetto al campo magnetico applicato. Esempi sono il rame, l'argento, l'oro, l'acqua.

o        sostanze paramagnetiche: sono quelle per le quali la permeabilità magnetica relativa è indipendente dal campo ma è funzione della temperatura assoluta, e presentano un valore di  leggermente superiore a 1; si magnetizzano debolissimamente nella stessa direzione del campo magnetico applicato. Esempi sono il platino, l'aria, l'alluminio.

o        sostanze ferromagnetiche: sono quelle per le quali la permeabilità magnetica relativa dipende sia dalla temperatura che dal campo, e che possono raggiungere valori molto grandi di  (); esempi sono il ferro, il nichel, il cobalto e le leghe di questi metalli.

§         x temperatura di Curie: temperatura caratteristica della sostanza ferromagnetica al di sopra della quale la sostanza assume proprietà paramagnetiche (passa da uno stato di orientamento ordinato ad uno stato di disordine)

§         ~ magneti permanenti: sostanza ferromagnetica che resta magnetizzata al cessare della corrente che ha prodotto la magnetizzazione

§         ~ magneti temporanei: sostanza ferromagnetica in cui al cessare della corrente che ha prodotto la magnetizzazione cessa anche la magnetizzazione

·         Legge di Biot-Savart (legge sulla forza magnetica agente su un conduttore a forma di filo rettilineo percorso da corrente elettrica): , con

o        : campo elettrico, misurato in tesla

o        : permeabilità magnetica del vuoto, misurata in tesla*metro/ampere

o        : permeabilità magnetica del mezzo in cui si trova il campo magnetico

o        i: intensità di corrente

o        r: distanza dal filo

o        direzione e verso ritrovabile con la regola del pollice della mano destra (pollice: filo rettilineo; altre dita, piegate: direzione del campo magnetico)




·         Flusso del campo magnetico:

·          Legge sulla forza magnetica (legge sulla forza della quale risente una corrente che passa in un tratto di circuito):

o         è la forza espressa in newton

o        i è l'intensità di corrente in ampere

o         è il vettore lunghezza del filo

o         è il vettore campo magnetico o induzione magnetica

§         x definizione di induzione magnetica: il vettore avente la direzione di un ago magnetico nella posizione di equilibrio assunta in quel punto, verso coincidente con quello Sud-Nord dello stesso ago e per modulo

§         x unità di misura: tesla, pari a

o        può essere riscritta come: , dove a è l'angolo tra il filo ed il campo magnetico; la forza è un vettore perpendicolare al piano tra il campo magnetico

o        la direzione ed il verso si individuano mediante la regola della mano destra (pollice: filo; indice: campo magnetico; medio piegato perpendicolare al palmo: forza)

·         x Interazione corrente-corrente: due conduttori rettilinei paralleli, di lunghezza l e posti a distanza d, e percorsi da corrente ad intensità i1 ed i2, interagiscono tra di loro con una forza attrattiva (stesso verso) o repulsiva (versi opposti) con una forza pari a Þ vedi definizione di Ampere

·         Forza di Lorentz: ogni carica q che sia dotata di una certa velocità  in un campo magnetico  risente di una forza  perpendicolare al piano individuato dalla velocità e dal campo magnetico;

o        Raggio della traiettoria di una particella sottoposta a forza di Lorentz:

·         Induzione magnetica al centro di una spira circolare: , in cui

o         è il vettore campo magnetico

o         è la permeabilità magnetica del vuoto pari a

o         è la permeabilità magnetica relativa al vuoto del mezzo interposto

o        i è l'intensità di corrente

o        r è il raggio della spira circolare

o        la direzione è perpendicolare al piano della spira; il verso è entrante rispetto alla spira se la corrente si muove in senso orario.

·         Induzione magnetica al centro di un solenoide:  in cui

o        n è il numero di spire del solenoide

o        l è la lunghezza del solenoide

·         moto di una particella carica in un campo elettrico costante:  con:

o        E campo elettrico costante

o       

o        q carica della particella

o        v velocità della particella

o        m massa della particella

o        t tempo

·         equazione del moto di una particella carica in un campo elettrico costante:

·         campo magnetico che equilibra il moto di una particella in un campo elettrico costante: , supposto che la particella entri perpendicolarmente al campo magnetico

Relatività ristretta

·         Primo postulato: la velocità della luce è sempre costante, cioè non dipende dallo stato di quiete o di moto della sorgente

·         Secondo postulato: le leggi della fisica asusmono sempre la stessa forma matematica in ogni sistema di riferimento ritenuto fermo, oppure in moto rettilineo uniforme rispetto ad un altro

·         Principio di equivalenza tra massa ed energia (conservazione di massa ed energia):

o        conseguenza: un corpo possiede energia per il solo fatto di possedere massa

·         Fattore di Lorentz:

·         Dilatazione della massa:

·         Dilatazione del tempo:

·         Contrazione delle lunghezze:

·         Energia a riposo di un corpo:  

·         Energia cinetica relativistica di un corpo in movimento:

·         Energia di legame/difetto di massa:

·         Composizione relativistica delle velocità:  con:

o        u velocità del corpo misurata rispetto al sistema di riferimento dell'osservatore

o        v velocità del secondo sistema di riferimento rispetto al primo sistema di riferimento

o        u' velocità del corpo misurata rispetto al secondo sistema di riferimento

o        N.B.: se u'=c, allora anche u=c

·         Quantità di moto relativistica:

Modelli atomici

·         modello di Rutherford: atomo costituito da un nucleo centrale massiccio carico positivamente circondato, a grande distanza, dagli elettroni; fu introdotto per spiegare la deviazione delle particelle a da parte degli atomi: essendo le particelle a positive, se ci fossero solo particelle negative (come previsto dal modello di Thompson) non ci sarebbe lo scattering (rimbalzo), ma con un nucleo centrale e massiccio carico positivamente questo sarebbe plausibile

·         studio degli spettri atomici: ogni elemento investito da un pennello di luce assorbe (o emette) luce su determinate lunghezze d'onda

o        formula di Planck:: un elettrone che viene eccitato e poi ritorna al livello energetico originario emette un fotone con energia

o        formule degli spettri atomici:

o        serie di Balmer (visibile) per l'idrogeno: , con n numero naturale maggiore di 2

§          costante di Rydberg

·         modello di Bohr: è la quantizzazione dell'atomo di Rutherford, con gli elettroni che ruotano attorno al nucleo con diverse condizioni

o        primo modello di atomo quantistico nel 1913

o        elaborato per eliminare alcuni problemi dell'atomo di Rutherford: in particolare, non esistevano leggi fisiche tali per cui un elettrone dovesse orbitare attorno al nucleo carico positivamente senza precipitare su di esso

o        elaborato a partire dall'atomo di prozio (idrogeno "normale") e basato sulle analisi degli spettri atomici dipendenti dal numero n

o        energia cinetica dell'elettrone:

o        differenza di potenziale dell'elettrone:

o        energia potenziale dell'elettrone:

o        energia totale dell'elettrone:

o        prima ipotesi di Bohr:  il momento della quantità di moto dell'elettrone è uguale alla costante di Planck per il numero quantico principale n diviso 2pÞ Þ Þ
 il raggio dell'elettrone è direttamente proporzionale al numero quantico principale

o        per n=1 il raggio è il minimo possibile e l'energia dell'elettrone è minima

§        

§        

Fisica nucleare

·         ciascun atomo è costituito da:

o        nucleo atomico: composto da due tipi di particelle (chiamate nucleoni):

§         neutroni: sono privi di carica elettrica ed hanno massa atomica relativa pari a circa 1,00898 amu (unità di massa atomica relativa, pari a un dodicesimo della massa del C12 in condizioni standard, cioè circa 1,660×10-27 Kg), cioè circa 1,674×10-27 Kg;

§         protoni: hanno carica elettrica di 1,602×10-19 C ed anch'essi hanno massa pari a circa 1,00759 amu, cioè circa 1,672×10-27 Kg.
Il numero dei protoni è specifico per ogni atomo e prende il nome di numero atomico;

o        orbitali (in numero e qualità uguale negli atomi dello stesso periodo): luoghi dove è più alta la probabilità che risiedano gli elettroni, particelle di carica -1,602×10-19 C e massa circa 0,00055 amu, cioè circa 9,1×10-31 Kg.

·         isotopi: nuclei atomici caratterizzati da stesso numero atomico (sono nuclei dello stesso elemento) ma diversa massa atomica (è maggiore il numero di neutroni)

·         nomenclatura atomica:  con



o        Z numero atomico, pari al numero dei protoni

o        N numero neutronico, pari al numero dei neutroni

o        A numero di massa atomica, pari alla somma di N e Z

·         energia di legame: quantità di energia che deve essere fornita ad un nucleo atomico per liberare tutti i nucleoni del nucleo

o        x energia di legame per nucleone:  energia media per strappare un nucleone dal nucleo

o       

240

 

80

 

50

 
l'andamento dell'energia di legame per nucleone al variare del numero di massa atomica A segue un andamento di questo genere:

·         elettronvolt (eV): unità di misura dell'energia, pari al lavoro necessario per spostare un elettrone tra due punti con differenza di potenziale di 1 V;

·         radiazioni delle sostanze radioattive: emissioni spontanee da parte dei nuclidi o isotopi radioattivi

o        particelle : sono nuclei di elio, e sono molto stabili

o        particelle : sono elettroni; vengono emesse dai nuclei per trasformazione di un neutrone in protone + elettrone + antineutrino (), e successiva espulsione dell'elettrone;

o        x particelle : sono positroni, cioè delle particelle di antimateria equivalenti agli elettroni; vengono emessi dai nuclei per trasformazione di un protone in un neutrone + positrone + neutrino (), con successiva espulsione del positrone;

o        radiazioni g: sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda inferiore ai raggi X, insensibili ai campi elettrici e molto penetranti. Si accompagnano sempre ad ogni disintegrazione che produce particelle a o b.

·         Trasformazioni radioattive dovute al decadimento

decadimento a:  

o        decadimento b-:  

o        N.B.: il decadimento radioattivo è dovuto al fatto che i nuclei si trovano in condizione di instabilità; questo significa che tendono a diventare stabili decadendo e portandosi a livelli energetici più bassi. I simboli  e  rappresentano l'energia di disintegrazione emessa dalla reazione nucleare.

·         Legge del decadimento radioattivo

o        il numero degli atomi di una popolazione atomica N che non sono ancora andati incontro a decadimento decresce esponenzialmente nel tempo con una legge del tipo:
dove
l è una costante caratteristica di ciascun elemento radioattivo

o        periodo di dimezzamento di un isotopo radioattivo: l'intervallo di tempo T dopo il quale la metà degli atomi di una popolazione atomica originaria N è decaduto

§         , con NT pari al numero degli atomi trasformati al tempo di dimezzamento, ed N0 numero iniziale di atomi non trasformati della popolazione atomica

o        vita media di un nucleo radioattivo:

§         N.B.: la vita reale di un nucleo radioattivo può essere brevissima come spaventosamente grande a causa delle tantissime variabili (l'atomo può essere disperso nel punto più remoto dell'universo oppure bombardato in continuazione da radiazioni ed altro); tuttavia, dato il numero enorme di atomi coinvolti, si possono fare dei calcoli statistici

·         Serie radioattive

o        Se si osservano le leggi di decadimento a e b, si può osservare che:

§         se avviene un decadimento a, l'elemento si trasforma in un elemento avente massa atomica inferiore di 4 unità (basta pensare che ci sono due protoni e due neutroni che se ne vanno);

§         se avviene un decadimento b, invece, il numero atomico aumenta di un'unità, ma la massa atomica A resta la stessa.

o        conseguenza: dal punto di vista della massa atomica, se avvengono dei decadimenti radioattivi l'atomo risultante può differire, come massa atomica, di 4 unità o di nessuna.

o        serie di decadimento: tutti gli stati intermedi con i quali un elemento radioattivo (definito capostipite) arriva a stabilizzarsi.

§         esistono quattro serie che si rispettivamente 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3 (rispettivamente serie del torio, dell'attinio, dell'uranio e del nettunio) dal momento che ciascun elemento della serie ha massa atomica esprimibile sostituendo alla n del nome della serie un numero naturale.

§         Al termine di ciascuna sequenza si trova un elemento stabile, rispettivamente il piombo-208, , il tallio-205[1], il bismuto-210 ed il piombo-207.

·         N.B.: la serie del nettunio non è più presente in natura in quanto il nettunio come elemento in sè non è più presente in quantità rilevabili; è però ricostruibile con la produzione artificiale di elementi transuranici nei reattori a fissione

·         x Unità di misura dell'attività radioattiva: curie (Ci)

o        è l'attività radioattiva di 1g di radio, pari a 37*109 disintegrazioni al secondo      

o        unità S.I.: bequerel (Bq), cioè 1 disintegrazione al secondo      

o        rapporto di conversione: 1nCi = 37Bq

·         x reazioni nucleari artificiali: utilizzo delle particelle emesse dalla disintegrazione di nuclei radioattivi per provocare la trasformazione di un elemento stabile

o        attivazione neutronica (radioattività indotta): per cattura neutronica da parte di un nucleo stabile, con la successiva emissione di radiazioni g

o        classificazione dei nuclidi

§         isotopi: stesso numero atomico Z

§         isobari: stesso numero di massa A

§         isotoni: stesso numero di neutroni N

·         fissione nucleare: la scissione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri quasi uguali. A causa del fatto che i nuclei pesanti hanno un'energia di legame più bassa dei nuclei intermedi (che si traduce nel fatto che la somma delle masse dei frammenti è minore della massa del nucleo pesante), viene liberata nel processo di fissione una certa quantità di energia

o        x formula della fissione dell'uranio-235: , cioè dall'interazione di un neutrone e di un nucleo di uranio-235 ottengo due nuclei atomici X e Y di massa simile, un eccesso neutronico medio di 2,5 neutroni e tanta energia, liberata perchè i due frammenti hanno energia di legame più alta (quindi sono più stabili ed a un livello energetico più basso)

o        x energia ricavata dalla fissione di un nucleo di uranio: circa 200 MeV

§         confronto con la combustione del carbonio: circa 4eV

o        x E'possibile ottenere reazioni di fissione in maniera artificiale, sia in maniera incontrollata (bombe atomiche) che in maniera controllata all'interno dei reattori. Avvenne anche in maniera naturale nelle ere geologiche precedenti in alcuni particolarissimi giacimenti di uranio

·         fusione nucleare: l'unione di due nuclei leggeri in un nucleo di numero atomico superiore; anche in questo caso la somma delle masse dei nuclei leggeri è minore della massa del nucleo più pesante, perciò si ha la liberazione di energia

o        è il meccanismo di funzionamento delle stelle

o        fornisce molta più energia (circa 3,5 volte) della fissione e non rende radioattive le strutture per periodi così lunghi (qualche decina d'anni contro milioni di anni)

o        realizzata artificialmente solo in maniera incontrollata (bombe termonucleari o all'idrogeno)

Effetto fotoelettrico

·         effetto fotoelettrico: emissione elettronica provocata nel metallo da radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza     

o        si ha emissione elettronica solo se la frequenza della radiazione incidente è maggiore di un certo valore limite, chiamato soglia fotoelettrica, dipendente dalla natura del metallo

o        l'energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della radiazione incidente e non dalla sua intensità

o        il numero degli elettroni emessi per unità di tempo aumenta all'aumentare dell'intensità della radiazione elettromagnetica incidente

o        Energia cinetica di un elettrone strappato:

o        potenziale di arresto o di estrazione della corrente fotoelettronica  

o        lavoro di estrazione del metallo fotosensibile, con f0 pari alla soglia fotoelettrica  

o        costante di Planck

Effetto Compton

·         effetto Compton: la radiazione elettromagnetica diffusa dopo l'interazione con una particella carica presenta, generalmente, una frequenza dipendente dall'angolo di diffusione (ed è minore della frequenza della radiazione incidente)

o        prova sperimentale dell'interpretazione quantistica-corpuscolare della radiazione elettromagnetica

o        riguarda direttamente l'interazione fotone-elettrone, intesa come urto perfettamente elastico

o        equazioni dell'effetto Compton:

§         spostamento Compton (di frequenza):  con

·          differenza tra la lunghezza d'onda diffusa  e la lunghezza d'onda incidente



[1] Si riteneva fino a poco tempo fa che l'elemento stabile della serie 4n+1 fosse il bismuto-209, come del resto riportato ancora da molti testi. Una ricerca condotta dal Institut de Astrophysique Spatiale di Orsay, Francia, ha tuttavia riscontrato che il bismuto-209 è radioattivo con decadimento a, ed ha un tempo di dimezzamento record pari a anni, facendo quindi del tallio-205 l'effettivo elemento stabile della serie.







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