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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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chimica fisica modulo b

CHIMICA FISICAmodulo B

Gabriele Morosi

[email protected]

031-2386634

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

slide2
OGGETTO DEL CORSO:

Interpretazione teorica dei fenomeni chimici: struttura e proprietà della materia

Studio dei principi, delle leggi e delle teorie

slide3
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/

slide4
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 

slide6
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
Una particella non soggetta a forze esterne permane nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme
  • F = m a
  • Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria

MECCANICA CLASSICAIntrodotta nel 17esimo secolo da Newton

Sir Isaac Newton

slide8
Energia totale

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

slide9
Energia cinetica e momento lineare

L’energia cinetica può essere scrittain funzione della velocità:

oppure in funzione del momento lineare:

slide10
Energia potenziale e forza

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

slide11
Hamiltoniano classico

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

slide12
Da questa equazione si ricava che la particella ha una traiettoria 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

slide13
Seconda legge di Newton

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

slide14
Energia: 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
  • 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
  • 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
slide17
ONDE

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.

slide19
DIFFRAZIONE

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

Al di la dell’ostacolo la propagazione non èpiù rettilinea

slide23
Onde in fase:

Interferenza costruttiva

Onde in opposizione di fase:

Interferenza distruttiva

slide24
Particelle e onde: differenze di comportamento

PARTICELLE

Quando collidono non possono attraversarsi, ma rimbalzano o si frantumano

Dopo la collisione

Prima della collisione

slide25
ONDE

Possono sovrapporsi

Quando si sovrappongono possono rafforzarsi o cancellarsi

Poi ritornano alla forma originale

slide26
Elettricità

Calore

Meccanica

Ottica

fisica classica1
FISICA CLASSICA

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
  • 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?

1 metro meccanica classica

1 millimetromeccanica classica

1 micrometro meccanica classica

1 nanometro meccanica quantistica

radiazione di corpo nero
RADIAZIONE DI CORPO NERO
  • 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
slide31
RADIAZIONE EMESSA DALLE STELLE

lunghezza d’onda (nm)

slide32
densità di energia [J m-4]

lunghezza d’onda  [nm]

DISTRIBUZIONE SPETTRALE

corpo nero
CORPO NERO

Corpo immaginario

Freddo assorbe tutta la radiazione incidente

Caldo emette radiazione con efficienza 100 %

modello di corpo nero
MODELLO DI CORPO NERO

Tutta la radiazione che entra attraverso il foro viene assorbita

La radiazione emessa dipende solo dalla temperatura della scatola

slide35
Radiazione

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

slide36
Stazione

radio

CARICHE OSCILLANTI

E

CAMPI ELETTROMAGNETICI

Antenna con distribuzione

di cariche elettriche variabile nel tempo

Campo elettromagnetico

(onde radio)

slide37
Campo elettromagnetico: collezione di tutte le possibili frequenze (onde stazionarie)
  • La presenza di radiazione di frequenza  significa che l’oscillatore che emette quella frequenza è stato eccitato
slide38
Oscillatore armonico

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.

slide39
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.

slide40
Max Planck 1900

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

slide41
Densità di energia 

Distribuzione di Planck

Riproduce il dato sperimentale

Prima evidenza della quantizzazione dell’energia

capacita termica dei solidi
Cv

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

slide43
3

2

1

0

Cv/R

T (K)

A basse temperature

Ge

Si

slide44
A bassa temperatura

Einstein

atomi come oscillatori quantistici indipendenti.

 unica ed identica per tutti gli atomi.

A basse temperature solo una frazione degli oscillatori è attiva

slide45
Accordo qualitativo

Risultato non quantitativo

Debye:atomi come oscillatori quantistici interagenti

slide46
SPETTRI ATOMICI

E MOLECOLARI

Spettro continuo

Spettro di emissione

Spettro di assorbimento

Spettro di emissione

slide47
Intensità di assorbimento

Intensità di emissione

λ/nm

Fe

SO2

slide48
-e

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

slide49
Le linee dello spettro appaiono perché la molecola emette un fotone passando da un livello energetico discreto ad un altro livello
    • E = h 
slide50
CONCLUSIONE

ENERGIA QUANTIZZATA

ad