i modelli cosa sono? rappresentazione concettuale, spesso semplificata della realtà capace di...

I MODELLI

Cosa sono?

Rappresentazione concettuale,

spesso semplificata

della realtà capace di spiegarne il

funzionamento

attraverso oggetti di uso comune

DALL’ ‘800 AI GIORNI NOSTRI

IL MODELLO ATOMICO DI THOMSONATOMO:sfera omogenea carica di elettricità positiva in cui gli

elettroni sono distribuiti in maniera uniforme e senza una disposizione spaziale particolare

IL MODELLO ATOMICO DI RHUTERFORD

ATOMO: la massa e la carica positiva sono concentrate in una parte molto piccola di esso chiamata nucleo e gli elettroni orbitano a grande distanza dal nucleo

ATOMO: gli elettroni ruotano intorno al nucleo su alcune orbite circolari di raggio ben determinato. Finché un elettrone rimane nella sua orbita, non emette e non assorbe energia, se non quando passa da un livello all’altro

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

MODELLO QUANTOMECCANICO

Si abbandona il determinismo classico, e viene introdotto il concetto di orbitale, ossia la regione

nella quale vi è la maggiore probabilità di individuare un elettrone

ESPERIENZE DI LABORATORIO

~ corda vibrante

~ risonanza meccanica

~ assorbimento

~ spettri a righe

CORDA VIBRANTE

~ prerequisiti

~ strumenti

~ descrizione esperienza

~ raccolta dati sperimentali

ASSORBIMENTO

~ prerequisiti

~ strumenti

~ descrizione esperienza

~ raccolta dati sperimentali

RISONANZA MECCANICA

~ strumenti

~ descrizione esperienza

~ raccolta dati sperimentali

SPETTRI A RIGHE

~strumenti

~ descrizione esperienza

~ raccolta dati sperimentali

Ventre: punto di massima ampiezza raggiunto dalla

corda

Nodo: punto di ampiezza nulla

Armoniche: frequenze di oscillazione della corda

STRUMENTI

SONOMETRO

Il sonometro è uno strumento costituito da una corda in tensione sollecitata da una bobina utilizzata per fornire un impulso elettromagnetico che permette la vibrazione della corda stessa.

OSCILLOSCOPIO

L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che consente di visualizzare, su un grafico bidimensionale, l'andamento temporale dei segnali elettrici.

DESCRIZIONE ESPERIENZA

La corda viene fatta vibrare da una bobina inizialmente con frequenze casuali. Lo scopo è quello di trovare le frequenze delle varie armoniche, iniziando dalla fondamentale e procedendo quindi per gradi, osservando tramite l’oscilloscopio il raggiungimento della risonanza tra bobina e corda.

RACCOLTA DATI SPERIMENTALI NUMERO

ARMONICHEFREQUEZA PROPRIA DI

OSCILLAZIONE (Hz)Prima 80

Seconda 162,5Terza 244,5Quarta 325,9Quinta 407,3Sesta 490,5

Settima 574Ottava 654

ASSORBIMENTO

~ prerequisiti

~ strumenti

~ descrizione esperienza

~ raccolta dati sperimentali

RISONANZA DI UN SISTEMARISONANZA DI UN SISTEMA

• Strumenti:

oscillatore armonico smorzato e forzato da un motorino

• descrizione esperienza:

l’eccitazione di un elettrone che passa ad un livello energetico superiore è abbinata ad una determinata frequenza.

Il comportamento di un elettrone può essere illustrato con un oscillatore armonico smorzato e forzato:

il sistema del carrello ha una frequenza propria costituita dalla frequenza delle molle collegate al carrello.

Ma forzando dall’esterno il sistema si può modificare la frequenza di oscillazione secondo quanto esemplifica la curva di Lorentz:

Dati sperimentali:

Nel raccogliere i dati sperimentali abbiamo cominciato forzando il sistema con una frequenza inferiore a quella propria delle molle. Così facendo la curva sale fino ad arrivare all’apice, nel quale la frequenza propria del sistema è uguale a quella prodotta dal motorino. Questo è il momento in cui il sistema entra in risonanza. Successivamente, aumentando ulteriormente la frequenza impartita dal motore, otteniamo un calo della curva e il sistema esce dalla risonanza.

5T cr T cr 5 Tsws T sws T medio differenza f x020,66 4,132 20,494 4,0988 4,1154 2,1 0,24299 0,11915,8 3,16 16,363 3,2726 3,2163 2,5 0,310916 0,0966

10,82 2,164 13,019 2,6038 2,3839 0,419481 0,16729,84 1,968 11,827 2,3654 2,1667 0,461531 0,25029,8 1,96 9,592 1,9184 1,9392 3,3 0,515677 0,309

8,96 1,792 8,98 1,796 1,794 3,5 0,557414 0,78388,8 1,76 8,889 1,7778 1,7689 3,55 0,565323 1,12

8,85 1,77 8,75 1,75 1,76 3,6 0,568182 1,1228,32 1,664 8,63 1,726 1,695 3,7 0,589971 1,1288,07 1,614 8,56 1,712 1,663 3 0,601323 1,0967,7 1,54 8,051 1,6102 1,5751 3,9 0,63488 0,3148

7,64 1,528 7,64 1,528 1,528 4 0,65445 0,23576,68 1,336 6,7 1,34 1,338 0,747384 0,0981

Dati raccolti sperimentalmente:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Serie1

Curva di Lorentz ottenuta con i dati sperimentali:

Il reticolo di diffrazione è uno strumento usato per scomporre la luce nei colori che la costituiscono.

Le onde luminose sono visibili all’uomo entro certe frequenze e quindi lunghezze d’onda (dai 400 nm a 700 nm).

Ogni colore si contraddistingue per la sua lunghezza d’onda.

STRUMENTI

RACCOLTA DATI SPERIMENTALI

spettri

0

1

2

3

4

5

6

7

8

400 450 500 550 600 650 700

Lambda (nm)

I (m

icro

W)

I (micro W)

Filtro giallo I

Filtro blu I

trasmittanza

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

400 450 500 550 600 650 700

Lambda (nm)

Tito

lo a

sse

Y

RACCOLTA DATI SPERIMENTALI

Trasmittanza: rapporto tra intensità trasmessa ed intensità incidente

i

t

I

IT

DESCRIZIONE ESPERIENZA

La lampada allo xeno emette un’intensa luce che attraversa il monocromatore; tramite una manopola è possibile regolare la lunghezza d’onda del colore desiderato.

Tramite una fibra ottica viene portata la luce su un sensore, il quale, collegato ad un apposito strumento che visualizza le intensità della luce ai vari colori.

In seguito, con i dati raccolti, è stato realizzato lo spettro (intensità in funzione delle lunghezze d’onda).

Infine, ponendo filtri di diverso colore tra il sensore e la fonte luminosa, si è notato come certi colori vengano filtrati.

SPETTRO DELLA LAMPADA AD ELIOSPETTRO DELLA LAMPADA AD ELIO

• Strumenti:

spettrometro

lampada ad elio

• Descrizione esperienza

Attraverso lo spettrometro è possibile scomporre il fascio di luce emesso dalla lampada ad elio, come fa il prisma di vetro, nei suoi fasci costituenti in base alla frequenza sfruttando la diffrazione della luce. Ciò che si ottiene è così lo spettro di emissione dell’elio.

Spettro dell’elio:

In accordo al modello di Bohr si vedono solo alcuni “picchi” corrispondenti a determinate lunghezze d’onda.

• Raccolta dei dati sperimentali:

picco destra picco sinistra differenza gradi lunghezza d'onda88 37 51 25,5 71887 38 49 24,5 69184 42 42 21 59778 49 29 14,5 417

104 21 83 41,5 1105

L=d sen d=1667nm

L’esperimento non è stato completamente soddisfacente perché i colori che noi vedevamo nello spettro dell’elio non corrispondevano sempre alle lunghezze d’onda che il computer rilevava: vedevamo colori che non avremmo dovuto vedere in quanto le lunghezze d’onda rilevate corrispondevano ad altri colori ad occhio nudo. Queste imprecisioni possono essere dovute a errori sistematici nella calibrazione dello strumento.

• Risultati ottenuti: