Chimica fisica modulo b
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CHIMICA FISICA modulo B. Gabriele Morosi [email protected] 031-2386634 scienze-como.uninsubria.it/morosi/didattica.html. OGGETTO DEL CORSO: Interpretazione teorica dei fenomeni chimici: struttura e proprietà della materia Studio dei principi, delle leggi e delle teorie.

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Presentation Transcript
Chimica fisica modulo b

CHIMICA FISICAmodulo B

Gabriele Morosi

[email protected]

031-2386634

scienze-como.uninsubria.it/morosi/didattica.html


OGGETTO DEL CORSO:

Interpretazione teorica dei fenomeni chimici: struttura e proprietà della materia

Studio dei principi, delle leggi e delle teorie


Capitoli 7 – 10

Fondamenti della meccanica quantistica

Struttura atomica e spettri atomici

Struttura molecolare

Capitoli 12 – 14

Spettroscopia molecolare

http://www.oup.com/uk/orc/bin/9780199543373/


INTERPRETAZIONE DEI FENOMENI CHIMICI

  • Osservazione di analogie tra i fenomeni

  • Linguaggio “chimico” di interpretazione dei fenomeni mediante i concetti di acido-base, elettronegatività, l’organizzazione degli elementi nella tavola periodica, ….

  • Leggi della fisica

  • Particelle (elettroni e nuclei) ed interazioni tra le particelle


Fisica classica

2 entità separate

FISICA CLASSICA

PARTICELLE

Discrete

Localizzate

Posizione e Momento

ONDE

Continue

Non localizzate

Frequenza 


r

2

.

P

o

s

i

t

i

o

n

r

r

PARTICELLE

  • Massa m

  • Posizione r

  • Velocità v

Massa

Posizione

Velocità


Meccanica classica introdotta nel 17 esimo secolo da newton

MECCANICA CLASSICAIntrodotta nel 17esimo secolo da Newton

Sir Isaac Newton


Energia totale stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Energia totale di una particella di massa m, con posizione r e velocità v

Energia cinetica

Energia posseduta come risultato del moto

Energia potenziale

Energia posseduta come risultato della posizione


Energia cinetica e momento lineare stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

L’energia cinetica può essere scrittain funzione della velocità:

oppure in funzione del momento lineare:


Energia potenziale e forza stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Una particella che si muove in un campo di energia potenziale V è soggetta ad una forza F

Forza nella direzione di energia potenziale decrescente

Forza in una dimensione


Hamiltoniano classico stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

L’espressione dell’energia totale in termini di energia cinetica espressa in termini del momento lineare e di energia potenziale

è detta Hamiltoniano

L’Hamiltoniano ha una speciale importanza nella trasformazione da meccanica classica a meccanica quantistica


Da questa equazione si ricava che la particella ha una stato di quiete o di moto rettilineo uniformetraiettoria definita

ha una posizione ed un momento definiti ad ogni istante

Particella libera di muoversi in una direzione (asse x) in una regione in cui il potenziale V(x) = 0


Seconda legge di Newton stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Sia una particella ferma al tempo zero v(0) = 0 e soggetta ad una forza costante per un tempo t

F e t possonovariare a piacimento

l’Energia può assumere qualunque valore


Energia stato di quiete o di moto rettilineo uniforme: varia in modo continuo

Traiettoria: posizione e velocità in funzione del tempo

Conoscendo la posizione e la velocità di tutte le particelle e le forze che agiscono su di esse ad un dato tempo, il futuro può essere predetto mediante la legge di Newton.

  • Meccanica classica :

  • deterministica

  • continua

E’ capace di spiegare il moto degli oggetti macroscopici


Determinismo della meccanica classica
Determinismo della Meccanica Classica stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

  • Supponiamo che le posizioni e le velocità di tutte le particelle nell’universo siano misurate con sufficiente accuratezza ad un particolare istante

  • E’ possibile predire i moti di ogni particella a qualsiasi tempo nel futuro (o nel passato)

”Un essere intelligente che conosca, ad un dato istante di tempo, tutte le forze che agiscono nella natura, così come la posizione istantanea di tutte le cose di cui l'universo è composto, sarebbe in grado di comprendere i moti dei corpi più grandi del mondo come quelli dei più piccoli atomi in una formula unica, a condizione che sia sufficientemente potente da assoggettare tutti i dati ad analisi; a lui, nulla sarebbe incerto, sia il futuro che il passato sarebbero presenti davanti ai suoi occhi.”

Pierre Simon Laplace


Ruolo dell osservatore
Ruolo dell’Osservatore stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

  • L'osservatore è oggettivo e passivo

  • Gli eventi fisici avvengono indipendentemente dal fatto che vi sia un osservatore o no

  • Questo è noto come realtà oggettiva


ONDE stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Onda: una perturbazione che si propaga attraverso un mezzo (acqua, corda,…) o nel vuoto (onde elettromagnetiche) con una velocità finita trasferendo energia da un punto ad un altro.


DIFFRAZIONE stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Si ha diffrazione quando un fronte d’onda investe un ostacolo

Al di la dell’ostacolo la propagazione non èpiù rettilinea


DIFFRAZIONE DA SINGOLA FENDITURA stato di quiete o di moto rettilineo uniforme


DIFFRAZIONE DA SINGOLA FENDITURA stato di quiete o di moto rettilineo uniforme


DIFFRAZIONE DA DOPPIA FENDITURA stato di quiete o di moto rettilineo uniforme


Onde in fase: stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Interferenza costruttiva

Onde in opposizione di fase:

Interferenza distruttiva


Particelle e onde: differenze di comportamento stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

PARTICELLE

Quando collidono non possono attraversarsi, ma rimbalzano o si frantumano

Dopo la collisione

Prima della collisione


ONDE stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Possono sovrapporsi

Quando si sovrappongono possono rafforzarsi o cancellarsi

Poi ritornano alla forma originale


Elettricità stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Calore

Meccanica

Ottica


Fisica classica1
FISICA CLASSICA stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Fallisce se applicata a particelle su scala atomica

Descrive con successo oggetti macroscopici

Esistono fenomeni che non si possono spiegare con la fisica classica

Radiazione di corpo nero

Capacità termica dei solidi

Spettri atomici

Effetto fotoelettrico

MECCANICA QUANTISTICA


Le origini della meccanica quantistica
Le origini della Meccanica quantistica stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

  • La meccanica classica

    • Particelle

    • Onde

    • Energia varia in modo continuo

  • La meccanicaquantistica

    (nasce negli anni venti del secolo scorso)

    • Base della meccanica quantistica: l’energia è quantizzata, ha valori discreti

    • Le particelle hanno caratteristiche anche di onde e le onde hanno caratteristiche anche di particelle


Meccanica quantistica quando
Meccanica Quantistica: quando? stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

1 metro meccanica classica

1 millimetromeccanica classica

1 micrometro meccanica classica

1 nanometro meccanica quantistica


Radiazione di corpo nero
RADIAZIONE DI CORPO NERO stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

  • Gli oggetti caldi emettono radiazione elettromagnetica

    • Esempio: un pezzo di Fe riscaldato appare dapprima rosso scuro, poi giallo chiaro fino ad apparire quasi bianco

  • Per descrivere questo fenomeno occorre introdurre la meccanica quantistica


RADIAZIONE EMESSA DALLE STELLE stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

lunghezza d’onda (nm)


densità di energia [J m stato di quiete o di moto rettilineo uniforme-4]

lunghezza d’onda  [nm]

DISTRIBUZIONE SPETTRALE


Corpo nero
CORPO NERO stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Corpo immaginario

Freddo assorbe tutta la radiazione incidente

Caldo emette radiazione con efficienza 100 %


Modello di corpo nero
MODELLO DI CORPO NERO stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Tutta la radiazione che entra attraverso il foro viene assorbita

La radiazione emessa dipende solo dalla temperatura della scatola


Radiazione stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

Foro

Contenitore

a temperatura T

Ogni radiazione emessa viene riflessa molte volte prime di uscire attraverso il foro

La radiazione emessa è quindi in equilibrio termico con le pareti alla temperatura T


Stazione stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

radio

CARICHE OSCILLANTI

E

CAMPI ELETTROMAGNETICI

Antenna con distribuzione

di cariche elettriche variabile nel tempo

Campo elettromagnetico

(onde radio)



Oscillatore armonico frequenze (onde stazionarie)

Radiazione assorbita ed

emessa

Principio di equipartizione

L’energia disponibile alla temperatura T viene ripartita in modo uguale tra tutti gli oscillatori e tutti emettono radiazione.


Secondo la fisica classica, anche oggetti freddi dovrebbero irradiare nelle regioni del visibile e UV

CATASTROFE ULTRAVIOLETTA

Origine del problema: ipotesi che l’energia degli oscillatori possa variare in maniera continua assumendo qualsiasi valore.


Max Planck 1900 irradiare nelle regioni del visibile e UV

Planck ipotizzò che l’energia degli oscillatori avesse valori discreti  quantizzazione dell’energia

E = n h con n intero n = 1, 2, …

h = 6.626 10-34 J s

h costante di Planck


Densità di energia irradiare nelle regioni del visibile e UV 

Distribuzione di Planck

Riproduce il dato sperimentale

Prima evidenza della quantizzazione dell’energia


Capacita termica dei solidi

C irradiare nelle regioni del visibile e UV v

Cv/R

CAPACITA’ TERMICA DEI SOLIDI

Ad alte temperature

Dulong-Petit

Modello del solido: atomi come oscillatori classici indipendenti

Energia kT per grado di libertà 3kT per atomo  3RT per mole U = 3RT

Cv = 3 R ~ 25 J/K moleindipendente da T


3 irradiare nelle regioni del visibile e UV

2

1

0

Cv/R

T (K)

A basse temperature

Ge

Si


A bassa temperatura irradiare nelle regioni del visibile e UV

Einstein

atomi come oscillatori quantistici indipendenti.

 unica ed identica per tutti gli atomi.

A basse temperature solo una frazione degli oscillatori è attiva


Accordo qualitativo irradiare nelle regioni del visibile e UV

Risultato non quantitativo

Debye:atomi come oscillatori quantistici interagenti


SPETTRI ATOMICI irradiare nelle regioni del visibile e UV

E MOLECOLARI

Spettro continuo

Spettro di emissione

Spettro di assorbimento

Spettro di emissione


Intensità di assorbimento irradiare nelle regioni del visibile e UV

Intensità di emissione

λ/nm

Fe

SO2


-e irradiare nelle regioni del visibile e UV

F

+Ze

Atomo e Fisica Classica

Un elettrone in moto attorno al nucleo

Moto circolare : l’elettrone accelera

Cariche accelerate emettono radiazione

L’elettroneperde energia

Cade sul nucleo in circa 10-9 secondi

Variando il moto la frequenza emessa varia con continuità

Il modello planetario non conduce ad atomi stabili



CONCLUSIONE un fotone passando da un livello energetico discreto ad un altro livello

ENERGIA QUANTIZZATA


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