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LA STRUTTURA LA STRUTTURA DELLA MATERIADELLA MATERIA

• L’atomo• Le particelle elementari• La tavola periodica degli elementi• I livelli energetici• Produzione di raggi X• Interazione dei raggi X con la materia

IL MONDO INTORNO A NOIIL MONDO INTORNO A NOI• Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di materiali e forme di materia

• Sorprendentemente questa grande varietà di materia è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali.

• La parola fondamentale e/o elementare sarà una parola chiave lungo tutto il nostro percorso di esplorazione dell'infinitamente piccolo.

• Per mattoni fondamentali intendiamo oggetti privi di una struttura interna, ovvero oggetti che a loro volta non possono essere scomposti in entità più piccole.

1. Mano

2. Pelle della mano

3. Cellula della pelle

4. Atomo

5. Nucleo dell’atomo

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LL’’IDEA DELLIDEA DELL’’ ATOMOATOMO

• L'idea dell'esistenza di tali entità fondamentali risale al tempo dell'antica Grecia. I filosofi Leucippo e Democritonel V secolo avanti Cristo credevano che tutta la materia dell'Universo fosse fatta di piccolissimi mattoni indivisibili (che chiamarono atomi parola greca che significa appunto non divisibile) separati dal vuoto.

Democrito

• La teoria della materia secondo Aristotele prevedeva l’esistenza di quattro elementi fondamentali e di quattro qualità. Ciascun elemento era caratterizzato da due qualità, così la terra è secca e fredda, l’acqua è fredda e umida, l’aria è umida e calda ed il fuoco è caldo e secco. Un elemento può cambiare se cambiano le sue qualità. La trasformazione è più facile tra elementi con qualità in comune: la terra (fredda e secca) si trasforma in acqua quando il secco si trasforma in umido.

Aristotele

• Aristotele invece sosteneva che "la natura aborre il vuoto" e immaginava che la materia fosse indefinitivamente divisibile in parti sempre più piccole. L'opinione di Aristotele prevalse, e l'ipotesi dell'atomo fu quasi completamente dimenticata per più di duemila anni.

• Per più di duemila anni l'idea di Aristotele ebbe la meglio, ma a partire dal diciottesimo secolo gli scienziati, con una serie di scoperte che hanno dato origine alla chimica moderna, hanno dimostrato che tutte le sostanze sono scomponibili in piccolissimi costituenti corpuscolari, troppo piccoli per essere osservati con le tecniche dell'epoca. Seguendo la tradizione greca i chimici chiamarono tali costituenti atomiatomi.

Dmitrij IvanovichMendeleev

� Tobolsk 1834

� Pietroburgo 1907

• Questa denominazione ebbe successo. I vari elementi chimici vennero catalogati in gruppi che mostravano proprietà simili da cui derivòLa Tavola Periodica degli Elementi

Atomi di silicio al microscopio elettronico

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TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

• In seguito i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa chiamati elettroni.

• Nuclei ed elettroni si combinano in diversi modi, tali da determinare le diverse proprietà chimiche osservate.Per un certo tempo i fisici pensarono che gli elettroni e il nucleo fossero gli atomi dei greci, le particelle elementari di cui tutta la materia ècomposta. Avevano solo parzialmente ragione. Mentre l'elettrone èancora oggi ritenuto indivisibile, nuovi esperimenti mostrarono che il nucleo atomico non è una particella fondamentale

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LE DIMENSIONI DELL'ATOMOLE DIMENSIONI DELL'ATOMO• Per avere una idea del

diametro di un atomo dobbiamo prendere un metro dividerlo in un miliardo di volte e poi ancora in dieci parti! Per indicare questa misura si scrive 10-10 m ( cioè un metro diviso 10˙000˙000˙000)

• Le dimensioni dei nuclei sono 104 volte più piccole (cioè diecimila volte piùpiccole) di quelle dell'atomo. Insomma tra i diametri del nucleo e dell’atomo c’e un rapporto pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di san Pietro a Roma.

atomi di silicioa) ripresi con un microscopio ad effetto tunnelb) ripresi con um microscopio elettronico

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• Se in proporzione il nucleo di un atomo avesse un diametro equivalente al cerchio di centrocampo dello stadio Olimpico in Roma, gli elettroni più vicini si troverebbero ad orbitare ad una distanza che li porterebbe sopra lo stadio di San Siro a Milano

• E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò significa che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto, un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia.

Aristotele aveva veramente torto: la materia Aristotele aveva veramente torto: la materia èè essenzialmente composta dal essenzialmente composta dal

vuoto !! L'unica ragione per cui il nostro corpo, e la sedia su vuoto !! L'unica ragione per cui il nostro corpo, e la sedia su cui siamo seduti, cui siamo seduti,

ci sembrano cosi solidi e impermeabili, ci sembrano cosi solidi e impermeabili, èè perchperchéé tali quantittali quantitàà infinitesime di infinitesime di

materia sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibilmateria sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibili ma i ma

potentissime molle.potentissime molle.

La materia è costituita da atomi, composti da un nucleoelettricamente carico positivamente e da elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno.

La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone ed entrambi sono circa 2000 volte piùpesanti di un elettrone.

Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelleprive di carica.

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LL’’ELETTRONEELETTRONE• Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il

più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un grammo di materia !! La sua massa è infatti:me = 9.11 × 10-31 kg

• Il raggio dell'elettrone è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo inoltre che èprivo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole.

• Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo e-

• La sua carica elettrica per convenzione è negativa.

• La carica dell'elettrone qe viene identificata come carica elementare. In questo modo la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella

dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo

intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare qe.

IL PROTONE• Il protone è insieme al neutrone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici.

• Il protone è molto più pesante dell'elettrone, la sua massa è infatti circa 2000 volte quella dell'elettrone. mp = 1.673 × 10-27 kg

• Il raggio del protone è rp = 1 fm (1 fm = 10-15m)

• Comunemente il protone viene abbreviato con il simbolo p.

• La carica elettrica del protone è uguale a quella dell'elettrone ma ha segno opposto, cioè è positiva: qP = + e

Questa grandezza viene chiamata fermi (fm) dal nome del grande fisico italiano Enrico Fermi ed è spesso usata per le misure atomiche e subatomiche. Per ottenere un fermi dobbiamo dividere un metro in un miliardo di parti poi dividere quanto ottenuto in un milione di parti!!

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IL NEUTRONE

• Il neutrone è insieme al protone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici.

• Il neutrone ha massa dello stesso ordine del protone, la sua massa è infatti circa mn = 1.675 ×10-27 kg

• Comunemente il protone viene abbreviatocon il simbolo n.

• Il neutrone non ha carica elettrica

Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni checostituiscono il nucleo, quindi un atomo è normalmenteelettricamente neutro.

Un atomo può esistere in natura con un ugual numero atomico ma diverso numero di massa (isotopi) ed hanno le stesse proprietà chimiche (cioè di creare composti, molecole, dalle stesse proprietà).

numero atomico (il numero dei protoni identico al numero degli elettroni) numero di massa (il numero dei nucleoni, ovvero dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo).Da qui la definizione di elementi leggeri o pesanti

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TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

Gli atomi esistenti un natura sono circa 90

Gli atomi alla sinistra di questa tavola sono detti metallied hanno la proprietà di perdere elettroni diventandoioni positivi. Gli atomi posti alla destra, invece, sono detti non metalli ed hanno la proprietà di acquistareelettroni, cioè di diventare ioni negativi. Gli altri atomi hanno proprietà di perdere od acquistare elettroniin maniera meno netta. Certi atomi si possono addirittura comportare da metalli o da non metalli a secondadei casi.

L'attitudine che hanno gli atomi di acquistare o perdere elettroni fa si che si formino legami elettrici fra gli stessied è così che si formano le molecole, i costituenti fondamentali dei composti chimici di cui è fatta la materia.

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Atomo di Atomo di BohrBohr

La distribuzione degli elettroni intorno al nucleo secondo il modello atomico classico segue lo schema ad orbite:1a orbita: 2 elettroni2a orbita: 8 elettroni3° orbita: 18 elettroni

Elettroni nei solidi:• elettroni di core: quelli nei livelli atomici energeticamentepiù legati al nucleo; non partecipano al legame chimico tra gli atomi, e quindi la loro condizione resta pressoché inalterata rispetto a quella nel singolo atomo; insieme ai rispettivi atomi, formano il nocciolo ionico che costituisce lo scheletro del cristallo

• elettroni di valenza: quelli nei livelli atomici energeticamente meno legati al nucleo; partecipano al legame chimico tra gli atomi, e quindi la loro condizione nel solido è molto diversa rispetto a quella nel singolo atomo; sono più o meno localizzati intorno ai rispettivi nuclei a seconda del tipo di solido e da loro dipendono le proprietàelettroniche (e ottiche) del materiale e l’energia di coesione

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MODELLO DI ECCITAZIONE MODELLO DI ECCITAZIONE DI UN ATOMODI UN ATOMO

XRF

PIXEPIXE

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IONIZZAZIONE DELL’ATOMO

X caratteristiciEffetto Auger

Regole di selezione

∆∆∆∆n ≠≠≠≠ 0∆∆∆∆l = ±±±±1

∆∆∆∆j = ±±±±1 o 0

Diagramma semplificato delle transizioni dai livelli di energia per alcune radiazioni caratteristiche della serie K

Transizioni elettroniche e righe K

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K

L

M

Nel modello di Bhor era stata introdotta l'ipotesi della quantizzazione, ma per il l'elettrone era una particella classica, che si muove su orbite ben determinate il cui raggio puó essere calcolato in base a semplici considerazioni meccaniche sulle forze in gioco. Le nuove scoperte (il principio di indeterminazione di Heisemberg e la scoperta della doppia natura dell'elettrone da parte di de Broglie) peró imponevano un modo completamente diverso di affrontare il problema, che portóall'elaborazione di una nuova fisica, la meccanica quantistica.

LA TEORIA MODERNA

Il termine orbitali indica le funzioni che si ottengono come soluzione dell'equazione di Schrodinger, che sono visualizzabili come regioni dello spazio intorno al nucleo, nelle quali é possibile trovare l'elettrone. Si puó dire che gli orbitali hanno varie forme e si protendono lontano dal nucleo in modo diverso, in relazione ai numeri quantici che ne caratterizzano la funzione d'onda. Ogni funzione d'onda, o orbitale, descrive uno stato dell'atomo.

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•••• IL NUMERO QUANTICO PRINCIPALE n. Questo numero puóassumere valori maggiori o uguali a 1. Ha il ruolo piú importante nel determinare l'energia del dato orbitale.

Le diverse funzioni d'onda di un atomo si denotano indicando i valori dei tre numeri quantici: n, l, m; a ogni terzetto di numeri quantici corrisponde un orbitale ben preciso.

Principio di esclusione:Due elettroni dello stesso atomo non possono avere tutti i numeri quantici uguali.

• IL NUMERO QUANTICO ANGOLARE l. É un numero legato al valore del momento angolare che l'elettrone ha nel suo moto intorno al nucleo; determina laforma degli orbitali e insieme al numero n, contribuisce a determinare l'energia.

• IL NUMERO QUANTICO MAGNETICO m. É un numero che determina l'inclinazione del vettore momento angolare dell'elettrone; determina l'orientamento degli orbitali nello spazio.

RAGGI XRAGGI X

cosa sono?

radiazioni elettromagnetiche di energia compresa tra 0.25 e 120 keV

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• Scoperta dei RAGGI X: Röntgen 1895

• PROPRIETA’ OSSERVATE:

� penetrazione nella materia

� no deviazione ottica o

magnetica

� assorbimento in aria

� pellicole impressionate

• IPOTESI:

� etere

☺ ???? RAGGI X

• Applicazioni in medicina

I raggi X sono il risultato dell’interazione tra materia ed elettroni accelerati da opportune differenze di potenziale, con perdita di energia da parte di questi ultimi.

PRODUZIONE DEI RAGGI X: tubi raggi XPRODUZIONE DEI RAGGI X: tubi raggi X

1. l’elettrone eccita un atomo della sostanza colpita spostando un elettrone esterno o interno a seconda della sua energia e solo se l’energia dell’elettrone accelerato è maggiore (uguale) dell’energia di legame dell’elettrone atomico.

2. l’elettrone collide con il nucleo atomico: in questo caso l’elettrone orbita parzialmente intorno al nucleo e perde energia per decelerazione (bremsstrahlung).

I meccanismi attraverso i quali l’elettrone perde energia si possono riassumere nei seguenti punti :

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INTERAZIONE CON LA MATERIAINTERAZIONE CON LA MATERIA

PRODUZIONE RAGGI X CARATTERISTICI

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INTERAZIONE CON LA MATERIAINTERAZIONE CON LA MATERIA

DIFFUSIONE DI COMPTON

DIFFUSIONE DI RAYLEIGH

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Energy (KeV)

CP

S

Ag (scattering)

Fe ZnPb Sr

Zr

Emissioni di fluorescenza caratteristica

Diffusione

C

R

SPETTRO XRFSPETTRO XRF

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campionecampione

radiazione radiazione caratteristicacaratteristica

fascio Xfascio X

rivelatorerivelatore

segnalisegnali

spettro spettro di di energieenergie

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.0 1.3 2.5 3.8 5.1 6.3 7.6 8.9 10.211.512.714.015.316.617.919.120.421.7

energia (keV)

conteggi

Fe

CaRb

Ti Mn

K

Mo RayleighMo Compton

EDED--XRF XRF ((EnergyEnergy Dispersive Dispersive

XRF)XRF)

Applicazioni basate sui RAGGI XApplicazioni basate sui RAGGI X

�� ARTEARTE

�� MEDICINAMEDICINA

�� INDUSTRIAINDUSTRIA

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