L’ UNIVERSO – 8
QUARK
Ad un certo punto si incominciarono a scoprire fenomeni che protoni,neutroni ed elettroni non potevano più spiegare.
Guardando sempre più all’interno della materia tutto divenne più chiaro,le particelle elementari non erano soltanto 3,ma molte molte di più e potevano essere prodotte e misurate nei grandi acceleratori.
Il numero di particelle elementari aumentava apparentemente all’infinito,per questo c’era bisogno di un nuovo tipo di Tavola periodica,non più fondata sugli atomi,ma sui componenti interni degli atomi.
Il neutrone ed il protone sono parenti stretti ed appartengono ad una famiglia più grande di 8 particelle,che hanno proprietà simili e ognuna di queste particelle ha un’antiparticella con massa uguale e carica opposta.
Inoltre per ogni particella ed antiparticella ce n’è un’altra con proprietà simili ma con massa superiore
e per ognuna di queste ultime ce n’è ancora un’altra con massa ancora maggiore e così via.
– ogni membro della famiglia contenente neutrone e protone,è composto di 3 QUARK,
– i Quark rossi hanno carica positiva,
– i Quark blu possiedono meno 1/3 dell’unità di carica elementare
– ogni Quark ha uno spin,
– si sono trovati ancora altri tipi di Quark,
Allora per esempio,si considera l’IDROGENO GASSOSO e vediamo che cosa succede. Se fosse vero il modello esposto (Planetario),mi aspetterei uno Spettro di Emissione A BANDE in cui tutte le frequenze sono rappresentate,quindi dovrei vedere LUCE DI TUTTI I COLORI e questo perchè nei vari atomi presi in esame,tutti gli elettroni avrebbero una diversa distanza dal nucleo,in quanto tutti tenderebbero a cadere sul nucleo stesso.
Quando però facciamo un’Analisi Spettrale nel visibile della luce emessa dall’Idrogeno,vediamo che esso emette solo su certe frequenze e perchè non su altre?
PERCHE’ L’ATOMO E’ STABILE e quindi l’elettrone non modifica la sua orbita.
NOTA
una nota di fondamentale importanza è che per decidere se una Teoria è giusta o sbagliata dobbiamo sempre fare riferimento all’EVIDENZA SPERIMENTALE,la quale solamente può dirci se le regole seguite sono giuste o se vanno cambiate e in questo caso,ci dice che vanno cambiate.
La materia quando emette o assorbe radiazioni non lo fa in modo continuo come si pensava:
– emissione continua
– ma piuttosto per pacchetti discreti di energia,ogni pacchetto è chiamato Quanto
– gli elettroni che si muovono vicino al nucleo su piccole orbite possiedono meno energia di quelli che occupano orbite più ampie:
– piccola orbita
– orbita più ampia
– un elettrone vicino al nucleo è attratto con maggior forza di un elettrone distante dal nucleo
– per spostare un elettrone da un’orbita piccola ad una più grande,occorrono lavoro ed energia:
– Bohr pensò che la differenza di energia fra quella più piccola e quella più grande doveva avere una qualche relazione con i pacchetti discreti di energia,cioè con i Quanti.
differenza di energia fra due orbite
fra 4 orbite
– Bohhr concluse che un elettrone intorno al nucleo di un atomo potesse occupare solo alcune orbite precise,o determinati livelli di energia
– Bohr previde che nel caso dell’atomo di Idrogeno,il raggio delle orbite consentite fosse dato da un’equazione direttamente legata al numero di orbitale
– poichè il raggio dipende dal quadrato del numero orbitale,la distanza fra orbite successive cresce rapidamente:
– non esiste un limite teorico al numero di orbite
– Bohr sviluppò un’altra equazione per prevedere la velocità di un elettrone in ciascuna orbita
– Ma il fatto più importante è che Bohr scoprì il modo per calcolare l’energia di un elettrone in ogni orbita,essa è funzione della velocità dell’elettrone e della forza di attrazione fra questo e il nucleo,forza che secondo la legge di Coulomb dipende dal quadrato della distanza fra i due
– utilizzando questa formula,Bohr previde i livelli di energia relativi a ciascuna delle orbite consentite,dell’atomo di idrogeno
– così Bohr fu in grado di spiegare le frequenze specifiche della radiazione rilevabile quando l‘idrogeno venga bombardato costantemente da elettroni in movimento
– secondo l’idea di Bohr un elettrone libero può urtare un elettrone orbitante,un tale urto può trasferire energia all’elettrone orbitante
– come si vede in fig.,l’elettrone 1 è quello orbitante,mentre la pallina verde è l’elettrone libero (free)
– il problema è quanta energia deve contenere l’elettrone libero per strappare un elettrone alla sua orbita
– l’energia necessaria è quella che occorre per compensare la differenza tra questa orbita ed un’orbita di livello più elevato
– in questo caso,se l’energia dell’elettrone che bombarda è inferiore a 10,2 elettronvolt,fra l’atomo bersaglio e l’elettrone libero non ci sarà alcuna interazione
– ma un elettrone dotato esattamente di 10,2 eV,può cederla tutta ad un elettrone orbitante al minimo livello
e può farlo balzare al minimo stato di eccitazione, n=2
– l’elettrone libero sfuggirà all’atomo con una energia uguale a zero,
– un elettrone può saltare non solo nell’orbita più vicina,ma anche su una più lontana,ciò dipende dall’energia dell’elettrone che lo urta,esso deve avere cioè almeno l’energia che serve per uguagliare quella che c’è fra le orbite interessate.
– in ogni caso,qualsiasi residuo viene trattenuto dall’elettrone libero.
– se un elettrone libero che bombarda possiede e cede più di 13,6 eV ad un atomo di idrogeno,ad esempio 15,7 eV,l’elettrone orbitante si libera dal nucleo e l’atomo diventa ionizzato
– gli elettroni ritornano rapidamente alle orbite più vicine
– Bohr suggerì che l’elettrone tornando ad un‘orbita di livello inferiore,avrebbe ceduto in forma di fotone un quanto di energia,che corrispondeva esattamente alla differenza di energia fra le orbite
RICAPITOLANDO
Per risolvere il problema,NIELS BOHR (Copenaghen 7 ottobre 1885 – 18 novembre 1962) fisico e matematico danese,propose un modello atomico in grado di spiegare i dati sperimentali.
Bohr postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite fisse,dette
anche “orbite quantizzate“, queste orbite possedevano un’energia quantizzata (ossia un’energia già prestabilita identificata da un numero detto numero quantico principale N) nelle quali gli elettroni non emettevano né assorbivano energia (questa infatti rimaneva costante): in particolare, un elettrone emetteva o assorbiva energia sotto forma di onde elettromagnetiche solo se effettuava una transizione da un’orbita all’altra, e quindi passava ad uno stato a energia minore o maggiore.
Secondo Bohr il Raggio che misura la distanza fra il Nucleo e l’Elettrone, NON può variare con continuità e quindi andare sempre diminuendo (Teoria planetaria), ma questo raggio può assumere solo dei valori che sono MULTIPLI di un valore fondamentale.
Questo raggio viene chiamato: RAGGIO DI BOHR dell’atomo di IDROGENO.
Quindi ci sarà una distanza MINIMA che separa un elettrone dal Nucleo,tutti gli altri raggi sono evidentemente maggiori.
Ci sono di conseguenza anche delle diverse ENERGIE associate alle varie ORBITE DI BOHR. Quindi non tutte le orbite sono possibili,ma soltanto quelle che hanno determinati raggi e queste orbite SONO STABILI.
Quindi questa descrizione è molto diversa da quella Classica perchè esistono delle orbite consentite e sono STABILI,quando un Elettrone è sopra un’orbita di questo tipo,non perde energia perchè è un’ ORBITA STAZIONARIA,cioè consentita.
La conseguenza è che gli Atomi non emettono energia fino a quando si trovano in STATI STAZIONARI,l’emissione di energia non avviene con continuità ma solamente quando un atomo passa da uno stato ad un altro e durante questo cambiamento si ha l’emissione di uno o più PACCHETTI DI ENERGIA o QUANTI.
Bohr introdusse l’idea che un elettrone possa cadere da un’Orbita di alta energia a una con energia più bassa,emettendo un FOTONE di energia definita.
QUESTA TEORIA FU LA BASE DELLA TEORIA DEI QUANTI.
Il modello atomico dell’atomo di Idrogeno proposto da Bohr ebbe vita breve perchè
– riusciva a spiegare le frequenze dello spettro dell’atomo di Idrogeno,
– ma non riusciva a spiegare le frequenze dello spettro degli atomi polielettronici (l’atomo di Idrogeno ha 1 solo elettrone).
Alla fine del secolo scorso si pensava che la MECCANICA NEWTONIANA fosse una meccanica completa,capace di spiegare le leggi meccaniche
dell’Universo,dall’infinitamente piccolo, all’infinitamente grande.
CONDUCIBILITA’ ELETTRICA
Il conduttore elettrico è un materiale in grado di far scorrere corrente in modo veloce al suo interno. I materiali conduttori sono caratterizzati dalla presenza degli elettroni liberi nella banda di valenza degli atomi del reticolo cristallino (conduttori di prima specie) o contengono specie ioniche che si fanno carico di trasportare la corrente elettrica (conduttori di seconda specie)
– su un Isolante la carica elettrica non si muove,
– vediamo rappresentato un condensatore riempito con materiale dielettrico,cioè isolante,le cariche negative del dielettrico vengono spostate verso la piastra carica positivamente a sinistra. Così facendo si crea un campo elettrico orientato verso sinistra che annulla parzialmente quello creato dalle armature (L’intervallo vuoto è mostrato per chiarezza; un condensatore reale è totalmente riempito da dielettrico.
– ma su un Metallo,si diffonde all’istante,
– se porto una carica elettrica su un metallo,si diffonde all’istante,
– in altre parole il metallo conduce elettricità,perchè?
– ecco cosa accade
– quando due atomi di metallo sono molto vicini,gli elettroni periferici possono passare facilmente dall’uno all’altro,questi elettroni mobili sono definiti elettroni di conduzione,
– come vedi gli elettroni verdi possono passare facilmente da un atomo all’altro,i punti rossi sono i nuclei,
– in questo modo tutti i metalli sono conduttori elettrici
– In fisica ed elettrotecnica la corrente elettrica è uno spostamento complessivo, cioè un qualsiasi moto ordinato di cariche elettriche, definito operativamente come la quantità di carica elettrica che attraversa una determinata superficie nell’unità di tempo
– rappresentazione del moto di cariche elettriche positive (+) o negative (-) (tipicamente elettroni) in un conduttore.
– convenzionalmente,il verso della corrente è quello delle cariche positive e quindi opposto al verso del moto degli elettroni
TAVOLA PERIODICA
– Numero atomico
– ogni elemento nella Tavola periodica è disposto in ordine di numero atomico
– il numero atomico è dato dal numero di Protoni nel nucleo,
– prendiamo l’Idrogeno,il primo elemento della tavola periodica,nel nucleo c’è un solo Protone,quindi il numero atomico dell’idrogeno è 1,
– il numero atomico in genere viene scritto in basso a sinistra dell’elemento,
– Litio
nel nucleo ci sono 3 Protoni,quindi il numero atomico sarà 3,
Peso atomico
– il peso atomico si trova in alto,
– il peso atomico è dato dal numero dei Protoni + il numero dei Neutroni,
– Idrogeno ha solo 1 Protone e nessun Neutrone,
– quindi il suo Numero atomico è 1 ed anche il Peso atomico è 1,
– Litio
ha 3 Protoni e 4 Neutroni,quindi avremo
Numero atomico 3 e Peso atomico 7
PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISEMBERG
Il modello di Bohr-Sommerfeld si basava ancora su postulati e soprattutto funzionava bene solo per l’idrogeno: tutto ciò,alla luce anche del principio di indeterminazione introdotto da Werner Karl Heisemberg nel 1927,convinse la comunità scientifica che fosse impossibile descrivere esattamente il moto degli elettroni attorno al nucleo,motivo per cui ai modelli deterministici fino ad allora proposti si preferì ricercare un modello probabilistico,che descrivesse con buona approssimazione qualsiasi atomo. Ciò fu reso possibile grazie ai successivi risultati della meccanica ondulatoria.
Nel 1932 fu scoperto il neutrone,per cui si pervenne presto ad un modello dell’atomo pressochè completo,in cui al centro vi è il nucleo,composto di protoni (elettricamente positivi) e neutroni (elettricamente neutri) ed attorno ruotano gli elettroni (elettricamente negativi).
Misura di una particella elementare
Una particella molto leggera per esempio un ELETTRONE,può essere deviata dalla luce e quindi esiste uno SCAMBIO di QUANTITA’ DI MOTO fra il campo elettromagnetico e la particella stessa.
Questo effetto si può interpretare se si ammette che la Luce sia un insieme di PARTICELLE,quindi l’urto fra la luce e un elettrone può essere visto come l’urto fra due piccole palline dure cioè da una parte l’ELETTRONE e dall’altra un FOTONE o QUANTO DI LUCE.
Se davanti a me ho un grosso oggetto da misurare,per esempio un tavolo,posso misurarne le dimensioni in modo semplice,senza alterare il suo STATO DI MOTO,cioè se il tavolo è fermo,quando lo misuro,rimarrà fermo.
Supponiamo ora che l’oggetto da misurare sia molto piccolo,per esempio un singolo ELETTRONE.
Se voglio misurare i dati di questo elettrone,devo usare un raggio di LUCE quindi una Radiazione
Elettromagnetica,che tuttavia trasporta con sè una certa ENERGIA e quindi anche una certa QUANTITA’ DI MOTO,per cui quando il raggio luminoso colpisce l’Elettrone,è inevitabile che ne modifichi la sua Quantità di Moto.
Allora posso pensare di ridurre sempre più l’intensità della radiazione elettromagnetica usata per la misura,ma a questa riduzione c’è un limite ben preciso perchè il livello minimo a cui posso ridurre la radiazione equivale ad 1 solo FOTONE.
Questo perchè sappiamo che la radiazione ha una energia QUANTIZZATA,cioè fatta di pacchetti di energia e quindi non posso ridurla a meno di un pacchetto ovvero a meno di 1 FOTONE,se elimino anche questo unico fotone,allora rimarrebbe solo il BUIO e quindi non potrei più misurare niente.
Ma il problema rimane ancora perchè anche un unico FOTONE trasporta ENERGIA e QUANTITA’ DI MOTO,anche se piccole,quindi nel momento stesso in cui incontra l’ELETTRONE,si ha un urto fra le due particelle cioè fra il FOTONE e l’ELETTRONE che scambiano fra loro la QUANTITA’ DI MOTO,per cui sia il FOTONE che l’ELETTRONE verranno deviati a vicenda.
Quindi diventa impossibile misurare i dati di un Elettrone: la sua POSIZIONE,VELOCITA’ e TRAIETTORIA perchè nel momento stesso in cui il FOTONE lo colpisce per misurare questi dati,l’Elettrone si sposta da un’altra parte e quindi non potremo sapere mai con precisione assoluta dove si trova o che Velocità possiede o quale è la sua traiettoria!
Quindi non abbiamo la possibilità di conoscere simultaneamente con precisione infinita la quantità di MOTO e la POSIZIONE di una PARTICELLA.
Quindi in MECCANICA QUANTISTICA non ha senso parlare di TRAIETTORIA perchè non posso conoscere insieme la POSIZIONE e la QUANTITA’ DI MOTO di una particella e quindi POSIZIONE e VELOCITA‘ per cui non posso parlare neanche di ORBITE o di RAGGI DI BOHR e allora il modello atomico di Bohr perde validità,non possiamo parlare di Orbite con un RAGGIO ben determinato perchè non possiamo in realtà misurare questo raggio senza perturbare lo stato dell’atomo e dell’elettrone che ruota attorno all’atomo.
Da quanto detto,posso conoscere lo STATO DI MOTO del sistema solo con una certa APPROSSIMAZIONE,INDETERMINAZIONE e quindi devo abbandonare i concetti classici di Traiettoria,Posizione e Velocità di un corpo perfettamente conosciute e quindi devo creare qualcosa di nuovo per capire l’evoluzione di un SISTEMA MICROSCOPICO.
ALLORA POSSIAMO CHIEDERCI:
se non conosciamo di un ELETTRONE che si muove,nè la POSIZIONE,nè la VELOCITA’,nè la
TRAIETTORIA INSIEME, che cosa possiamo dire del nostro oggetto? Non possiamo dare dei valori numerici a questi parametri!
L’UNICA COSA CHE POSSIAMO FARE:
è definire la PROBABILITA‘ che l’ELETTRONE si trovi in un certo stato,che si trovi cioè in un certo punto dello spazio,in un certo istante di tempo.
Verifica dello stato di probabilità
la verifica di questo Stato di PROBABILITA’ in cui può trovarsi un Elettrone la possiamo trovare ripensando al fenomeno della DIFFRAZIONE delle Onde Elettromagnetiche attraverso uno schermo con due feritoie,che abbiamo già descritto,infatti le BANDE DI DIFFRAZIONE che si vedono sullo schermo,come conseguenza del campo ONDULATORIO associato al moto di un elettrone,ne PARAMETRIZZA in qualche modo,un’AMPIEZZA DI PROBABILITA’ e dà informazioni proprio sulla PROBABILITA’ che noi abbiamo di trovare una particella in un certo punto dello Spazio ad un certo Istante di tempo.
Quindi la FUNZIONE D’ONDA racchiude tutto ciò che io posso sapere dello STATO DINAMICO di una particella,mi dice qual’è la PROBABILITA’ che in certi istanti di tempo questa particella sia in un certo punto dello Spazio.
L’andamento ONDULATORIO è regolato dall’Equazione di SCHRODINGER.
IL CARBONIO
METANO
La più semplice molecola organica è quella del metano
Per quanto a suo tempo rivoluzionaria,è stata ampiamente superata dal modello odierno,più sofisticato,realizzato sulla base della teoria quantistica dell’atomo
– la teoria dei quanti è fondata sulla meccanica ondulatoria e questo modello è una delle tante rappresentazioni moderne dei legami del metano
– la probabilità di individuare un elettrone in un qualsiasi punto dello spazio che circonda il nucleo,è compresa fra il 90 ed il 95%
– questa regione nebulosa si chiama ORBITALE
– in questo modello di orbitale,il primo livello energetico di un atomo qualsiasi è detto Orbitale 1S e contiene al massimo 2 elettroni,
– nella rappresentazione planetaria del Neon,il secondo livello di energia contiene al massimo 8 elettroni
– poichè questi elettroni non si muovono secondo circonferenze perfette,le trasformiamo in ORBITALI
– anche l’orbitale 1S del neon assume una forma sferica
– ma il secondo guscio si rivela un po’ più complicato essendo suddiviso in 2 tipi di orbitali correlati,
– un orbitale 2S con 2 elettroni,
– e 3 diversi orbitali 2p ciascuno con 2 elettroni
– contrariamente all’orbitale 2S,gli orbitali 2p contengono ognuno 2 lobi che somigliano ad una nube,
– ma poichè per ragioni di chiarezza abbiamo separato gli orbitali,ora possiamo nuovamente raggrupparli intorno al nucleo,
– osserviamo l’orientamento degli orbitali 2p,per ridurre al minimo la repulsione fra gli elettroni,gli orbitali sono allineati secondo 3 assi fra loro perpendicolari,
– adesso circondiamo il nucleo con tutti gli orbitali 1S e 2S,
– osserviamo che gli elettroni degli orbitali 2p saranno in media più distanti dal nucleo rispetto agli orbitali 2S,
– poichè l’energia degli elettroni aumenta in proporzione alla distanza dal nucleo,gli elettroni 2p si trovano in uno stato energetico leggermente più elevato rispetto agli elettroni 2S,
– adesso smontiamo di nuovo i componenti,
– in una visione semplificata,i livelli relativi di energia degli elettroni possono essere rappresentati in questo modo:
– e questa rappresentazione ci aiuterà a comprendere il comportamento del carbonio,
– ma prima torniamo al modello planetario del carbonio con i suoi gusci separati e cominciamo a trasformarli in orbitali,
– poichè i due elettroni dell’orbitale 1S del carbonio non partecipano al legame molecolare,possiamo trascurare questo orbitale ,quindi lo eliminiamo,
– ma il carbonio possiede un orbitale 2S con 2 elettroni e 3 orbitali 2p che contengono i due elettroni restanti,
– avete sentito bene,3 orbitali contenenti 2 elettroni,questo solleva una questione interessante,cosa occupa il terzo orbitale?
– la teoria dei quanti è bizzarra come una slot machine,solo 2 di questi orbitali 2p possono essere occupati da un elettrone in un momento qualsiasi,ma quali orbitali non è possibile dirlo,
– adesso rimontiamo gli orbitali 2p e l’orbitale 2S del carbonio,
– nel carbonio allo stato elementare questi orbitali correlati si trovano a due diverse distanze dal nucleo,ognuna con probabilità distinta,il che colloca gli elettroni 2p in media ad un livello energetico leggermente superiore a quello degli elettroni 2S,
– eppure quando il carbonio si lega con l’idrogeno per formare il metano,la prova empirica mostra che tutti e 4 i legami sono di pari energia,la soluzione del paradosso?
–ibridiamo, mischiamo gli orbitali
– con uno sbalzo di energia ecco 4 orbitali interamente riformati di pari energia tutti equidistanti dal nucleo,
– possiamo ipotizzare come avvenga l’ibridazione tornando allo stato elementare del carbonio, smontando il modello e sistemando gli orbitali di legame in base ad una scala energetica
– con una scarica di energia uno degli elettroni dell’orbitale 2S,viene scagliato nell’orbitale 2p vuoto,contemporaneamente mentre l’elettrone 2S rimanente viene spinto in un livello energetico intermedio,gli elettroni degli orbitali 2p scendono ad un livello energetico equivalente,
– gli elettroni degli orbitali 2p scendono ad un livello energetico equivalente,
– ricomponiamo ora questi orbitali ibridati in un modello tridimensionale,questi orbitali disposti a tetraedro sono definiti sinteticamente sp3,dove s e p indicano la loro natura ibrida,
– possiamo immaginare che l’ibridazione alla velocità della luce avvenga in questo modo
– un elettrone 2S salta in un orbitale vuoto 2p,
– immediatamente tutti e 4 gli orbitali assumono forme di energia equivalente,
– di nuovo tutti e 4 gli orbitali ibridati hanno la stessa forma e le stesse dimensioni e sono disposti secondo i vertici di un tetraedro,
– a 109,5 gradi gli elettroni hanno utilizzato la loro reciproca repulsione
– dal momento che contiene un solo elettrone ogni orbitale sp3 può ospitare un altro elettrone in un legame covalente,
– e l’idrogeno con un elettrone nel suo orbitale 1s è un buon candidato con cui condividere elettroni
– gli orbitali dell’idrogeno difficilmente resistono alla sovrapposizione con gli orbitali di carbonio,
– il risultato è la formazione di metano,una molecola stabile con 4 legami covalenti
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I’m absolutely enjoying your blog and look forward to new updates.
Devo dire che, la tua filosofia sull’universo e sull’uomo, la trovo molto interessante e convincente!