corso di fisica aa 2007-2008 facoltà di medicina e ... · i mattoni della materia: p,n,e protoni...
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Lezione 7
Cenni di struttura della materia.
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“Particelle”
La materia è costituita da particelle (atomi e
molecole), legate da forze di natura
elettromagnetica per formare i corpi
materiali.
I corpi materiali, a loro volta, si differenziano
poi a seconda dell’entità di tali forze.
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I mattoni della materia: p,n,e
Protoni (p), neutroni (n) ed elettroni (e) sono i
mattoni più “grossolani” di cui è fatta la materia.
Essi si aggregano formando atomi, ovvero
strutture più o meno stabili presenti nel
nostro universo.
In realtà oggi sappiamo che n,p non sono costituenti
elementari ma sono composti di quark
(3 quark per ciascuno), i veri mattoni elementari di
cui è costituita la materia.WWW.SLIDETUBE.IT
Composizione a quark
p = u u d
n = u d d
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Proprietà dei quark
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Carica elettrica
p ed e sono elettricamente carichi e
possono quindi interagire elettricamente.
n sono neutri e la loro presenza nell’atomo è
necessaria per assicurarne la stabilità.
Gli atomi sono elettricamente neutri (non privi di
cariche ma con cariche positive e negative presenti
in ugual numero).
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Elementi naturali
Attualmente gli elementi naturali (cioè presenti in natura)
sono 92. Ad essi, fino ad oggi, bisogna aggiungere altri 15
elementi (transuranici) creati dall’uomo, l’ultimo dei
quali, l’elemento 107, è stato sintetizzato solo nel 1977
(Flerov, Dubna, Russia).
Poiché gli elementi sono circa 100 anche le specie
atomiche sono circa 100.
Esempio: potete pensare alle specie atomiche come alle
lettere dell’alfabeto: le prime si compongono a formare ogni
varietà di materia; con le ultime possiamo formare ogni
parola.
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Struttura atomica degli elementi
In natura esistono elementi (es. i gas nobili) il cui
macroelemento chimico è formato da un solo atomo ed altri
(es. zolfo, fosforo, etc.) per cui è formato da due o più
atomi della stessa specie; altri ancora (es. sostanze
organiche) il cui macroelemento chimico è formato da
migliaia o milioni di atomi, anche di specie diversa.
L’unione di due o più atomi della stessa specie o di
specie diverse si chiama molecola.
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Molecole
A seconda della propria struttura (disposizione
elettronica) gli atomi possono legarsi (legame
chimico) tra loro a formare le molecole.
In generale, una molecola si può ancora
considerare una parte elementare del corpo
che risulta pertanto formato da un grandissimo
numero di molecole identiche.
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Interazione molecolare
In generale, le molecole si attraggono o respingono
reciprocamente con forze che dipendono dalla distanza,
per effetto delle forze elettriche agenti a livello atomico.
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Modello di interazione
molecolare: particelle immobili
Tra due molecole che interagiscono esiste una
distanza di equilibrio d0 che rappresenta la
condizione in cui forze attrattive e repulsive si
equivalgono.
Il tentativo di avvicinarle fa nascere forze repulsive
subito molto intense; quello di allontanarle fa
nascere forze attrattive, di intensità però
decrescente all’aumentare della distanza.
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Solidi
I solidi sono quei corpi in cui le molecole sono
effettivamente in tale condizione: le forze tra le
varie molecole mantengono le molecole
mediamente alla stessa distanza. Pertanto il corpo
conserva forma e volume.
Inoltre, se soggetto ad una sollecitazione esterna il
corpo subisce una deformazione elastica, ovvero
terminata l’azione esterna il corpo tende a
riportarsi nella configurazione iniziale.
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Agitazione termica
Il modello esposto rappresenta una
schematizzazione drastica della situazione.
A livello microscopico infatti tutte le particelle
costituenti il corpo sono animate da un moto
disordinato detto di agitazione termica.
N.B. A causa dell’agitazione termica non
possiamo osservare direttamente le singole
molecole.
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Temperatura
Dal punto di vista macroscopico l’agitazione
termica è misurabile mediante la temperatura.
Maggiore agitazione termica
Maggiore energia cinetica delle molecole
Maggiore temperatura.
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Critica al modello delle particelle
immobiliIl modello delle particelle immobili è praticamente
irrealizzabile.
La distanza di equilibrio deve essere considerata una
distanza media attorno alla quale le molecole realizzano il
loro moto di agitazione termica.
Se aumenta l’agitazione termica, aumenta pure il valore
della distanza media di equilibrio: le molecole possono
avvicinarsi tra loro però con maggiore difficoltà di quanto è
invece consentito per allontanarsi.
Segue un aumento delle dimensioni del corpo che è noto
come dilatazione termica.
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Stati di aggregazione della
materiaL’aumentare (con l’agitazione termica) della distanza media tra le
particelle porta alla situazione in cui le forze di richiamo (attrattive)
perdono di intensità e le particelle stesse possono considerarsi
autonome cioè poco o addirittura non interagenti.
Il corpo perde così le caratteristiche del solido e può passare agli stati
di liquido prima e di aeriforme o gas poi.
Dunque: la materia si presenta in tre stati: solido, liquido e
aeriforme a seconda della diversa intensità delle forze che si
esercitano tra le molecole che costituiscono il corpo.
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Stato solido:I
Rappresentazione
schematica
di aggregazione molecolare
allo stato solido.
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Stato solido:II
I solidi hanno forma e volume proprio.
Nei solidi il moto molecolare si riduce ad una
serie di rapide oscillazioni attorno ad alcuni
particolari centri di equilibrio (punti nodali).
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Stato liquido: I
Rappresentazione
schematica
di aggregazione molecolare
allo stato liquido.
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Stato liquido: II
I liquidi hanno volume proprio e forma
dipendente dal sistema che li contiene.
Nei liquidi le molecole, mantenendo praticamente
invariate le distanze mutue, possono scorrere a
gruppi, mescolandosi continuamente e riuscendo
talvolta anche a sfuggire dal recipiente che li
contiene (evaporazione).
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Stato gassoso: I
Rappresentazione
schematica
di aggregazione molecolare
allo stato gassoso.
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Stato gassoso: II
I gas hanno forma e volume dipendenti dal
sistema che li contiene.
Nei gas le molecole sono molto distanziate
tra loro e sono in moto rapidissimo e
disordinato (agitazione termica).
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Plasma
In realtà, oltre alle 3 fasi (S,L,G) esiste un
quarto stato di aggregazione detto plasma,
corrispondente alla situazione per cui a
causa di elevetissime temperature gli atomi
si scindono nei loro costituendi, nuclei,
protoni, elettroni.
Il plasma è dunque un insieme di particelle con
carica totale nulla che è molto difficile da
mantenere in laboratorio ma che costituisce lo
stato più diffuso di materia stellare.
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Fluidi = liquidi e gas
Liquidi e gas si dicono genericamente fluidi.
La differenza fondamentale tra solidi e fluidi è che nel
primo caso le molecole hanno una disposizione definita
(reticolo) mentre nel secondo caso no.
Mentre per descrivere il moto di un solido si puo’ pensare
di adattare la descrizione vista per un punto materiale (tutti
i punti materiali costituenti sono “rigidamente” collegati) per
descrivere il moto di un fluido occorre pensare a modalità
diverse di azione di forze (esempio non applicate ad un
singolo punto ma applicate a tutta una superficie o un
volume).
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