Transcript Atomo2t2012 - Dipartimento di Matematica e Fisica

Laboratori estivi 2012
Percorso: ATOMO
Andrea Baccolo, Caterina Pezzaioli, Elisa Ceppelli,
Mattia Tosi
Giulia Boifava, Ilaria Ottonelli, Paolo Rota, Vanezza
Scalmana
Maddalena Dimofte, Sara Cavagnini, Silvia Savoldi,
Tiziano Freddi, Valeria Montini
Joseph John
Thomson
COME NASCE UNO SCIENZIATO?
L’ESPERIMENTO
 Joseph John Thomson nacque a Cheetham
Hill il 18 dicembre del 1856. Si iscrisse
nell'Owens College di Manchester nel 1870 e
successivanmente, incoraggiato dal
professore di matematica, riuscì ad entrare al
Trinity College. Il 22 gennaio del 1890, sposò
Rose Elisabeth. Nel 1896 Thomson si recò in
America per un corso di quattro conferenze
che riassumevano le sue ricerche. I testi di
queste conferenze furono in seguito
pubblicati in Discharge of Electricity through
Gases (1897).
 Al suo ritorno si dedicò al miglior lavoro della
propria vita, uno studio originale sui raggi
catodici, che culminò nella scoperta
dell'elettrone, che fu annunciata in una
conferenza serale al Royal Institution, il 30
aprile del 1897.
L’ESPERIMENTO …
Obbiettivo:
Cosa
serve?
Misurare e calcolare il rapporto tra carica e massa
2 Generatori
dell'elettrone
2 Bobine di Helmholtz
1 Bulbo di vetro con all'interno elio
1 Amperometro
Catodo, anodo,
regolatore di corrente e
filamento metallico
Una volta regolata la strumentazione
si genera un flusso di elettroni
uscenti
catodo
Il flusso dal
viene
deviato dal campo
magnetico prodotto dalle bobine di
Helmholtz, assumendo una forma
circolare
(come
figura adifianco).
Se si agisce
sulnella
generatore
tensione si modifica la velocità degli
elettroni e intervenendo sul
regolatore di corrente si varia il
campo generato dalle bobine,
variando così la dimensione del
cerchio formato dal flusso di
elettroni, del quale poi viene
registrato il raggio.
Per capire come si muovono gli
elettroni
viene
applicato il Secondo
Quindi, considerando
α uguale
a 90°:
principio della dinamica newtoniana:
ma=qvB
F=ma
Inoltre sapendo che:
B=(Nμ0I)/R(5/4)3/2;
Ma l'unica forza
q=e; presente nel sistema
è quella data dallaeForza
di Lorentz
v2=(2eV)/m
generata
bobine
Si(F=qvBsinα)
può affermare
che ildalle
rapporto
tre carica e massa
dell'elettrone risulta:
e/m=(2V)/(B2R2)
V(V)
185,5
170
170
170
179,5
179,5
179,5
R^2
R1
190
0
3,8
0
4190
0
4,1190
0
4,25200
0
4,5200
0
4,5
200
0
4,65
207,5
0
5
0
4,9
207,5
207,5
223
223
0
223
231
231
0 f(x) = 0x - 0
231
R² = 0,99
251
0
251
251
264
0
264
264
0
275
275
275
0
285
285
0
285
170
190
299
299
299
Noi abbiamo ottenuto questi
risultati:
V
181
193,5
208
217
231,5
246
261
266,5
283
I(A)
R1(cm)
R2(cm)
e/m (C/Kg)
1,26
3,8
3,9 2,60E+11
1,21
4
4 2,39E+11
0,93
4
5 3,20E+11
1,27
3,6
3,7 2,61E+11
1,3
3,9
4 2,26E+11
1,13
4,3
4,5 2,39E+11
1,06
4,6
4,5 2,54E+11
R2
i
K teorica
1,29
4
4 2,35E+11
3,7
1,3
1,11E-05
1,14
4,8
5,1
1,97E+11
4
5,3
5,5 2,06E+11
4,2 1,02
4,35 1,01
5,8
6 1,85E+11
4,4 1,21
4,3
4,4 2,38E+11
4,6
1,37
3,7
3,9 2,43E+11
4,9
4,1
4,3 2,13E+11
4,6 1,35
5,1 1,19
5,6
5,8 1,49E+11
1,11
6
5,8 1,59E+11
1,66
3,2
3,6 2,31E+11
Dipendenza di R^2 da V
1,46
3,9
4,1 2,17E+11
1,3
4,3
4,5 2,26E+11
10
1,4
4
4,1 2,37E+11
11
1,26
4,4
4,5 2,42E+11
1,65
3,2
3,4 2,57E+11
1,43
4
4,2 2,40E+11
1,35
4,5
4,3 2,34E+11
1,33
4,4
4,5 2,36E+11
1,28
4,7
4,8 2,35E+11
1,38
4,4
4,6 2,25E+11
1,53
3,9
4,1 2,32E+11
1,54
3,9
4,3 2,27E+11
1,36
4,4
4,9 2,26E+11
1,3
4,6
5 2,33E+11
1,32
4,6
5 2,34E+11
1,51
4
4,6 2,23E+11
1,6
3,7
4,2 2,35E+11
210
230
250
270
1,62
4,8
4,4 1,77E+11
V (V)
1,47
4,2
4,8 2,27E+11
1,66
3,7
4,2 2,29E+11
R^2 (m^2)
Per concludere, facendo una media dei
valori ottenuti dalle misurazioni, il risultato è
stato 2,28 ∙ 1011C/Kg, che, tenendo conto di
un possibile errore di ± 8,6 ∙ 10 C/Kg, si
avvicina al valore ideale di 1,76 ∙10 C/Kg
290
Ernest
Rutherford
(Barone di
Nelson)
1871-1937
Nel 1911 Ernest Rutherford annuncia la sua scoperta della struttura
dell’atomo, Nel 1908,hanno assegnato il premio Nobel per la chimica,
“per sue le ricerche sulla disintegrazione degli elementi e la chimica
delle sostanze radioattive”.
Nei primi anni della sua carriera a Cambridge nel laboratorio di J. J.
Thompson, che proprio in quel periodo scopre l’elettrone, e in seguito
all’Università McGill a Montreal, Rutherford ha trovato la spiegazione
della natura della radioattività e ha mostrato che produce due tipi di
radiazioni, da lui chiamate raggi α e β.
Di origine neozelandese, arriva in Inghilterra nel 1895 a 24 anni con una
borsa di studio: la sua carriera si svolgerà tutta fuori dalla sua patria.
Dopo il periodo canadese, nel 1907 torna in Inghilterra all’Università di
Manchester. Qui, con i suoi assistenti Geiger e Marsden, realizza
l’esperimento che gli permette di elaborare il modello atomico.
Nel 1917 raggiunge il terzo risultato importante della sua carriera:
per primo riesce a trasformare un elemento chimico in un altro, in
particolare l’azoto in ossigeno. L’antico sogno degli alchimisti è
realizzato.
Nel 1919 torna a Cambridge, dove nel decennio successivo
raccoglie intorno a sé un gruppo di ricercatori che arriverà a
importanti risultati sotto la sua guida e ispirazione. Tra questi
Chadwick, lo scopritore del neutrone, e Cockroft e Walton, che
realizzano il primo acceleratore ad alta tensione.
Rutherford muore nel 1937. Così recitava il suo necrologio sul New
York Times: “E’ dato a pochi uomini di raggiungere l’immortalità e
ancora meno sono coloro a cui è concesso raggiungere l’Olimpo
mentre sono in vita. A Lord Rutherford sono riuscite entrambe le
cose”.
ESPERIMENTO DI RUTHERFORD
OBIETTIVO:
Verificare che il numero di
MATERIALI UTILIZZATI:
• Americio radioattivo che emette
particelle a;
• una lamina d'oro ed una di
alluminio;
• rilevatore di particelle mobile.
particelle a sia funzione
dell'angolo formato dal rilevatore
(q) con la direzione del fascio
secondo la formula:
1
N (q ) 
Z2
4q 
sin  
2
PROCEDIMENTO
 Creazione del vuoto nella camera
sperimentale.
 Posizionamento del rilevatore secondo un
angolo noto.
 Conteggio delle particelle rilevate nel tempo
ad ogni angolazione.
PRIMO SET
Lamina d'oro (Au, Z=79) di spessore 2 micrometri.
RUTHERFORD ORO
16
14
t (s)
180
180
180
180
180
120
120
120
120
120
120
120
120
180
180
180
N/t
0,28
0,38
0,97
2,25
6,31
12,71
14,46
13,36
13,23
10,12
8,88
5,9
1,89
0,72
0,23
0,17
ANGOLI IN RADIANTI
0,35
0,3
0,24
0,19
0,14
0,09
0,03
0,02
0
-0,02
-0,03
-0,09
-0,14
-0,19
-0,24
-0,3
1/(sen^4(θ'/2))
1102,02
2099,26
4542,54
11873,72
42319,58
276797,46
10800889,81
172787944,17
#DIV/0!
172787944,17
10800889,81
276797,46
42319,58
11873,72
4542,54
2099,26
12
10
N/s
N tot
51
68
174
405
1136
1525
1735
1603
1588
1214
1065
708
227
129
41
30
8
Colonna D
6
4
2
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
ANGOLO (°)
RUTHERFORD ORO 2
f(x) = 0x + 0,06
R² = 1
2,5
2
1,5
Colonna D
N/s
θ (°)
20
17
14
11
8
5
2
1
0
-1
-2
-5
-8
-11
-14
-17
Regressione lineare
per Colonna D
1
0,5
0
0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
1/(sen^4(q/2))
SECONDO SET
Lamina d'alluminio (Al, Z=13) di spessore 7
micrometri.
30
θ (°)
20
15
7
4
3
2
0
-2
-4
-7
-15
-20
N tot
26
33
925
2852
2953
2865
1816
822
228
29
28
34
t (s)
180
180
120
120
120
120
120
120
120
120
180
180
N/t
0,14
0,18
7,71
23,77
24,61
23,88
15,13
6,85
1,9
0,24
0,16
0,19
ANGOLI IN RADIANTI
0,35
0,26
0,12
0,07
0,05
0,03
0
-0,03
-0,07
-0,12
-0,26
-0,35
1/(sen^4(θ'/2))
1102,02
3452,11
72140,42
675466,61
2134050,22
10800889,81
#DIV/0!
10800889,81
675466,61
72140,42
3452,11
1102,02
25
20
15
10
5
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
MODELLO ATOMICO
DI RUTHERFORD
• Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo e la gran
parte della massa di esso.
• Raggio dell’atomo 10-8 cm.
• Raggio del nucleo 10-12 cm.
• La carica del nucleo corrisponde al numero dei protoni che contiene e
viene chiamata numero atomico.

Gli elettroni vengono trattenuti dal nucleo mediante forze di natura
elettrostatica (coulombiane).
Rutherford si immaginò dunque un modello di atomo in cui il nucleo,
formato dai protoni, era circondato da un ugual numero di elettroni;
quest’ultimi si muovevano velocemente per mantenersi in equilibrio fra
l’attrazione esercitata dal nucleo e la reciproca repulsione .
L'assorbimento della luce
La Luce
La luce fino alla fine dell'ottocento veniva
considerata un’onda.
●
Tuttavia questo schema non riusciva a
spiegare completamente i fenomeni che
riguardavano la luce.
●
Fu introdotta anche una seconda teoria che
considera la luce anche come un corpuscolo.
●
La scomposizione della luce
Lo spettro visibile è quella parte dello spettro
elettromagnetico che va indicativamente dai 300
ai 750 nm.
●
Il fisico inglese Isaac Newton dimostrò che la
luce, che vediamo bianca, è in realtà composta
dai colori dello spettro solare fecendo passare un
raggio di luce attraverso un prisma di cristallo.
●
Il colore e' una percezione di precise frequenze
di luce proveniente da un oggetto; il colore non
è una proprietà del corpo stesso.
●
A ciascuna frequenza della luce visibile è
associato un determinato colore.
●
Assorbimento
●
interazione con onde
elettromagnetiche
• Interazione = colore
• bastoncelli e coni
L’esperimento
Registrare la radiazione della lampada (I0) inviando la luce uscente dal monocromatore
direttamente senza filtrarla.
●
Registrare le radiazioni della luce trasmessa (It) filtrando la luce con alcuni vetrini
colorati.
●
●
Il confronto fra i due spettri:
-notando quali regioni dello spettro incidente risultano assorbite
-calcolando il coefficiente di trasmissione (T=It/I0).
Assorbimento della luce
manovella
Lampada
allo xenon
Fibra ottica
monocromatore
vetrino
Display
dell’Intensità
della luce in mW
Sensore dell’intensità
della luce trasmessa
Il monocromatore
Spettrometro sperimentale
In questo esperimento non compare più il
monocromatore,
in
quanto
lo
spettrometro digitale è in grado di
scomporre autonomamente la luce.
●
Questo permette di ottenere lo spettro
della luce incidente e gli spettri di
trasmissione dei vari vetrini in modo
molto più rapido e di provarne
agevolmente varie combinazioni.
●
Si possono quindi acquisire vari spettri di
trasmissione e confrontarli sia con quello
della sorgente che fra di loro.
●
Intensità delle onde Trasmesse
0.09
0.08
I0
0.07
0.06
0.05
It Filtro
UV
0.04
0.03
0.02
0.01
It occhiali
da sole
0
350
400
450
500
550
600
650
700
0.09
I0
0.08
0.07
It giallo
0.06
0.05
It rosso
0.04
0.03
It blu
0.02
0.01
It verde
0
350
400
450
500
550
600
650
700
Coefficiente di Trasmissione
1
0.9
0.8
T UV
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
T occhiali
da sole
0.2
0.1
0
350
400
450
500
550
600
650
700
1
0.9
T giallo
0.8
0.7
T rosso
0.6
0.5
0.4
T blu
0.3
0.2
0.1
T verde
0
350
400
450
500
550
600
650
700