Laboratori estivi 2012

Percorso: ATOMO

Andrea Baccolo, Caterina Pezzaioli, Elisa Ceppelli, Mattia Tosi

Giulia Boifava, Ilaria Ottonelli, Paolo Rota, Vanezza Scalmana

Maddalena Dimofte, Sara Cavagnini, Silvia Savoldi, Tiziano Freddi, Valeria Montini

Joseph John Joseph John ThomsonThomson

COME NASCE UNO COME NASCE UNO SCIENZIATO?SCIENZIATO?

L’ESPERIMENL’ESPERIMENTOTO

Joseph John Thomson nacque a Cheetham Hill il 18 dicembre del 1856. Si iscrisse

nell'Owens College di Manchester nel 1870 e successivanmente, incoraggiato dal

professore di matematica, riuscì ad entrare al Trinity College. Il 22 gennaio del 1890, sposò Rose Elisabeth. Nel 1896 Thomson si recò in America per un corso di quattro conferenze

che riassumevano le sue ricerche. I testi di queste conferenze furono in seguito

pubblicati in Discharge of Electricity through Gases (1897).

Al suo ritorno si dedicò al miglior lavoro della propria vita, uno studio originale sui raggi

catodici, che culminò nella scoperta dell'elettrone, che fu annunciata in una

conferenza serale al Royal Institution, il 30 aprile del 1897.

L’ESPERIMENTO …L’ESPERIMENTO …Cosa serve?

1 Bulbo di vetro con all'interno elio

Misurare e calcolare il rapporto tra carica e massa dell'elettrone

Obbiettivo:Obbiettivo:

2 Bobine di Helmholtz

Catodo, anodo, regolatore di corrente e filamento metallico

2 Generatori

1 Amperometro

Una volta regolata la strumentazione si genera un flusso di elettroni uscenti dal catodoIl flusso viene deviato dal campo magnetico prodotto dalle bobine di Helmholtz, assumendo una forma circolare (come nella figura a fianco).Se si agisce sul generatore di tensione si modifica la velocità degli elettroni e intervenendo sul regolatore di corrente si varia il campo generato dalle bobine, variando così la dimensione del cerchio formato dal flusso di elettroni, del quale poi viene registrato il raggio.

Ma l'unica forza presente nel sistema è quella data dalla Forza di Lorentz (F=qvBsinα) generata dalle bobine

Quindi, considerando α uguale a 90°:ma=qvB Inoltre sapendo che: B=(Nμ

0I)/R(5/4)3/2;

q=e;e v2=(2eV)/m

Si può affermare che il rapporto tre carica e massa dell'elettrone risulta:

e/m=(2V)/(B2R2)

Per capire come si muovono gli elettroni viene applicato il Secondo principio della dinamica newtoniana: F=ma

Noi abbiamo ottenuto questi risultati:

V(V) I(A) R1(cm) R2(cm) e/m (C/Kg)185,5 1,26 3,8 3,9 2,60E+11

170 1,21 4 4 2,39E+11170 0,93 4 5 3,20E+11170 1,27 3,6 3,7 2,61E+11

179,5 1,3 3,9 4 2,26E+11179,5 1,13 4,3 4,5 2,39E+11179,5 1,06 4,6 4,5 2,54E+11

190 1,29 4 4 2,35E+11190 1,14 4,8 5,1 1,97E+11190 1,02 5,3 5,5 2,06E+11200 1,01 5,8 6 1,85E+11200 1,21 4,3 4,4 2,38E+11200 1,37 3,7 3,9 2,43E+11

207,5 1,35 4,1 4,3 2,13E+11207,5 1,19 5,6 5,8 1,49E+11207,5 1,11 6 5,8 1,59E+11

223 1,66 3,2 3,6 2,31E+11223 1,46 3,9 4,1 2,17E+11223 1,3 4,3 4,5 2,26E+11231 1,4 4 4,1 2,37E+11231 1,26 4,4 4,5 2,42E+11231 1,65 3,2 3,4 2,57E+11251 1,43 4 4,2 2,40E+11251 1,35 4,5 4,3 2,34E+11251 1,33 4,4 4,5 2,36E+11264 1,28 4,7 4,8 2,35E+11264 1,38 4,4 4,6 2,25E+11264 1,53 3,9 4,1 2,32E+11275 1,54 3,9 4,3 2,27E+11275 1,36 4,4 4,9 2,26E+11275 1,3 4,6 5 2,33E+11285 1,32 4,6 5 2,34E+11285 1,51 4 4,6 2,23E+11285 1,6 3,7 4,2 2,35E+11299 1,62 4,8 4,4 1,77E+11299 1,47 4,2 4,8 2,27E+11299 1,66 3,7 4,2 2,29E+11

Per concludere, facendo una media dei valori ottenuti dalle misurazioni, il risultato è stato 2,28 ∙ 1011C/Kg, che, tenendo conto di un possibile errore di ± 8,6 ∙ 1010 C/Kg, si avvicina al valore ideale di 1,76 ∙1011 C/Kg

V R^2 R1 R2 i K teorica181 0 3,8 3,7 1,3 1,11E-05

193,5 0 4 4208 0 4,1 4,2217 0 4,25 4,35

231,5 0 4,5 4,4246 0 4,5 4,6261 0 4,65 4,9

266,5 0 5 4,6283 0 4,9 5,1

170 190 210 230 250 270 2900

0

0

0

0

0

0

f(x) = 0x - 0R² = 0,99

Dipendenza di R^2 da V

V (V)

R^

2 (m

^2)

Ernest Rutherford

(Barone di Nelson)

1871-1937

Nel 1911 Ernest Rutherford annuncia la sua scoperta della struttura dell’atomo, Nel 1908,hanno assegnato il premio Nobel per la chimica, “per sue le ricerche sulla disintegrazione degli elementi e la chimica delle sostanze radioattive”.

Nei primi anni della sua carriera a Cambridge nel laboratorio di J. J. Thompson, che proprio in quel periodo scopre l’elettrone, e in seguito all’Università McGill a Montreal, Rutherford ha trovato la spiegazione della natura della radioattività e ha mostrato che produce due tipi di radiazioni, da lui chiamate raggi α e β.

Di origine neozelandese, arriva in Inghilterra nel 1895 a 24 anni con una borsa di studio: la sua carriera si svolgerà tutta fuori dalla sua patria. Dopo il periodo canadese, nel 1907 torna in Inghilterra all’Università di Manchester. Qui, con i suoi assistenti Geiger e Marsden, realizza l’esperimento che gli permette di elaborare il modello atomico.

Nel 1917 raggiunge il terzo risultato importante della sua carriera: per primo riesce a trasformare un elemento chimico in un altro, in particolare l’azoto in ossigeno. L’antico sogno degli alchimisti è realizzato.

Nel 1919 torna a Cambridge, dove nel decennio successivo raccoglie intorno a sé un gruppo di ricercatori che arriverà a importanti risultati sotto la sua guida e ispirazione. Tra questi Chadwick, lo scopritore del neutrone, e Cockroft e Walton, che realizzano il primo acceleratore ad alta tensione.

Rutherford muore nel 1937. Così recitava il suo necrologio sul New York Times: “E’ dato a pochi uomini di raggiungere l’immortalità e ancora meno sono coloro a cui è concesso raggiungere l’Olimpo mentre sono in vita. A Lord Rutherford sono riuscite entrambe le cose”.

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD

MATERIALI UTILIZZATI:• Americio radioattivo che emette

particelle ;• una lamina d'oro ed una di

alluminio;• rilevatore di particelle mobile.

OBIETTIVO:

Verificare che il numero di

particelle sia funzione

dell'angolo formato dal rilevatore

() con la direzione del fascio

secondo la formula:

2

4

2sin

1)( ZN

PROCEDIMENTOCreazione del vuoto nella camera

sperimentale.Posizionamento del rilevatore secondo un

angolo noto.Conteggio delle particelle rilevate nel tempo

ad ogni angolazione.

PRIMO SETLamina d'oro (Au, Z=79) di spessore 2 micrometri.

θ (°) N tot t (s) N/t ANGOLI IN RADIANTI 1/(sen^4(θ'/2))20 51 180 0,28 0,35 1102,0217 68 180 0,38 0,3 2099,2614 174 180 0,97 0,24 4542,5411 405 180 2,25 0,19 11873,728 1136 180 6,31 0,14 42319,585 1525 120 12,71 0,09 276797,462 1735 120 14,46 0,03 10800889,811 1603 120 13,36 0,02 172787944,170 1588 120 13,23 0 #DIV/0!-1 1214 120 10,12 -0,02 172787944,17-2 1065 120 8,88 -0,03 10800889,81-5 708 120 5,9 -0,09 276797,46-8 227 120 1,89 -0,14 42319,58

-11 129 180 0,72 -0,19 11873,72-14 41 180 0,23 -0,24 4542,54-17 30 180 0,17 -0,3 2099,26

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14

16RUTHERFORD ORO

Colonna D

ANGOLO (°)

N/s

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 140000

0.5

1

1.5

2

2.5f(x) = 0.000185756883014681 x + 0.0584212123762602R² = 0.996041133037823

RUTHERFORD ORO 2

Colonna D

Linear (Colonna D)

1/(sen^4(q/2))

N/s

SECONDO SETLamina d'alluminio (Al, Z=13) di spessore 7

micrometri.θ (°) N tot t (s) N/t ANGOLI IN RADIANTI 1/(sen^4(θ'/2))20 26 180 0,14 0,35 1102,0215 33 180 0,18 0,26 3452,117 925 120 7,71 0,12 72140,424 2852 120 23,77 0,07 675466,613 2953 120 24,61 0,05 2134050,222 2865 120 23,88 0,03 10800889,810 1816 120 15,13 0 #DIV/0!-2 822 120 6,85 -0,03 10800889,81-4 228 120 1,9 -0,07 675466,61-7 29 120 0,24 -0,12 72140,42

-15 28 180 0,16 -0,26 3452,11-20 34 180 0,19 -0,35 1102,02 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

25

30

• Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo e la gran parte della massa di esso.

• Raggio dell’atomo 10-8 cm.• Raggio del nucleo 10-12 cm.• La carica del nucleo corrisponde al numero dei protoni che contiene e

viene chiamata numero atomico. Gli elettroni vengono trattenuti dal nucleo mediante forze di natura

elettrostatica (coulombiane).

MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD

Rutherford si immaginò dunque un modello di atomo in cui il nucleo,formato dai protoni, era circondato da un ugual numero di elettroni;

quest’ultimi si muovevano velocemente per mantenersi in equilibrio fral’attrazione esercitata dal nucleo e la reciproca repulsione .

L'assorbimento della luceL'assorbimento della luce

La Luce

●La luce fino alla fine dell'ottocento veniva considerata un’onda.

●Tuttavia questo schema non riusciva a spiegare completamente i fenomeni che riguardavano la luce.

●Fu introdotta anche una seconda teoria che considera la luce anche come un corpuscolo.

●Lo spettro visibile è quella parte dello spettro elettromagnetico che va indicativamente dai 300 ai 750 nm.

●Il fisico inglese Isaac Newton dimostrò che la luce, che vediamo bianca, è in realtà composta dai colori dello spettro solare fecendo passare un raggio di luce attraverso un prisma di cristallo.

●Il colore e' una percezione di precise frequenze di luce proveniente da un oggetto; il colore non è una proprietà del corpo stesso.

●A ciascuna frequenza della luce visibile è associato un determinato colore.

La scomposizione della luce

Assorbimento● interazione con onde

elettromagnetiche

• Interazione = colore

• bastoncelli e coni

●Registrare la radiazione della lampada (I0) inviando la luce uscente dal monocromatore direttamente senza filtrarla.●Registrare le radiazioni della luce trasmessa (It) filtrando la luce con alcuni vetrini colorati.●Il confronto fra i due spettri:

-notando quali regioni dello spettro incidente risultano assorbite

-calcolando il coefficiente di trasmissione (T=It/I0).

L’esperimento

Assorbimento della luceLampada allo xenon

manovella

monocromatore

Fibra ottica vetrino

Sensore dell’intensitàdella luce trasmessa

Display dell’Intensitàdella luce in mW

Il monocromatore

Spettrometro sperimentale●In questo esperimento non compare più il monocromatore, in quanto lo spettrometro digitale è in grado di scomporre autonomamente la luce.

●Questo permette di ottenere lo spettro della luce incidente e gli spettri di trasmissione dei vari vetrini in modo molto più rapido e di provarne agevolmente varie combinazioni.

● Si possono quindi acquisire vari spettri di trasmissione e confrontarli sia con quello della sorgente che fra di loro.

Intensità delle onde Trasmesse

Coefficiente di Trasmissione