ESPERIMENTO DI THOMSON: SCOPERTA DEGLI ELETTRONI

1884 : Edison scopre l’effetto termoelettronico. Un filo metallico incandescente è capace di emettere dei particolari raggi detti "RAGGI CATODICI” perchè emessi dal catodo che è l'elettrodo negativo.

Dal 1880 al 1896: J.J. Thomson studia la natura dei raggi catodici e scopre che sono particelle cariche perché deviate da un campo elettrico. Usando il campo magnetico dimostra che sono cariche negative da come sono deviate.





Nel suo celebre esperimento del 1896 determina il rapporto carica massa di queste particelle che chiama ELETTRONI. Ricordiamo che il rapporto q/m carica-massa identifica in modo univoco la particella. Nel 1905 Millikan determina il valore della carica elementare e ritrova lo stesso rapporto carica massa trovato da Thomson. Quindi si dimostrò che gli elettroni sono i portatori della carica elementare .


ESPERIMENTO:



Thomson usa un tubo (di Crookes) a raggi catodici. Dal catodo viene emesso un fascio di raggi catodici per effetto termoelettronico. I raggi attraversano con una certa velocità il campo elettrico E generato dalle armature di un condensatore. Il raggio viene deviato e la deflessione verticale si può misurare sulla seconda estremità del tubo di Crookes.



Le particelle entrano con velocità v₀ in campo elettrico ortogonale E (condensatore piano).
Subiscono una deflessione d misurabile sullo schermo.




Si ricava il tempo che impiegano per uscire dal condensatore di lunghezza L tenuto conto che la componente del moto nella direzione orizzontale è uniforme: t=L/v₀ . Il tempo trovato si sostituisce nella legge oraria del moto uniformemente accelerato nella direzione verticale ottenendo:



Da questa si può ricavare il rapporto carica massa:



dove y è la deflessione che si può leggere nello schermo dello strumento, E è il campo elettrico applicato.

Manca solo il valore della velocità iniziale v₀ degli elettroni.
Per determinare v₀ si sovrappone al campo elettrico E un campo magnetico B generato da delle bobine percorse da corrente in modo che le linee di forza di B risultino perpendicolari a quelle del campo elettrico e alla direzione del fascio.
Le particelle subiscono così la forza di Lorentz diretta nella stessa direzione del campo E ma in verso opposto.
Si regola la corrente nelle bobine e quindi si regola il campo B fino a quando la deflessione ritorna a zero. La condizione di equilibrio è:

applet : clicca qui

STORIA DEL MODELLO ATOMICO

COME è FATTO L'ATOMO?

 Il video ripercorre brevemente l'evoluzione storica del modello atomica da Democrito  arrivando ai giorni nostri (ITA)

DEMOCRITO (IV sec. A.C.): Prima idea di atomo come componente elementare e indivisibile della materia. (atomismo)

MODELLO ATOMICO "A PANETTONE" :

Nel 1897 il fisico inglese J.J.Thomson studiando la natura dei raggi catodici scopre l'elettrone e misura il suo rapporto carica massa. (vedi esperimento). La massa dell'elettrone m=9,1x10⁻³¹ Kg risultava migliaia di volte più piccola di quella dell'atomo. Inoltre l'atomo risultava elettricamente neutro e formato da cariche che emettono

onde elettromagnetiche. Intorno al 1907, Thomson propose un modello atomico detto "a panettone" dove le uvette erano gli elettroni immersi e sparpagliati nella grande carica positiva dell'atomo (il panettone).

MODELLO PLANETARIO DI RUTHERFORD 

Intorno al 1908 il fisico neozelandese Rutherford utilizza particelle alfa (nuclei di elio formati da 2 protoni e 2 neutroni con carica positiva +2e) per bombardare una lamina d'oro. Su uno schermo posto intorno alla lamina si osservavano le scintillazioni prodotte dalle particelle alfa diffuse.

Nell'esperimento molte particelle alfa superavano l'ostacolo praticamente indisturbate mentre alcune venivano deflesse a volte con angoli molto grandi. Alcune particelle tornavano addirittura indietro.

con questa simulazione si può ripetere l'esperimento

 

Questi fatti non si accordavano con il modello "a panettone"

Rutherford capì che  l'atomo era in gran parte VUOTO (e questo spiegava il passaggio di molte particelle ) e che dentro l'atomo vi era un NUCLEO piccolo dotato di grande massa e di carica POSITIVA capace di far deviare le particelle alfa. Dalla deviazione subita dalle particelle alfa, Rutherdorf riesce a determinare le dimensioni del nucleo: r=5x10⁻¹⁵ m

Ne consegue un nuovo modello dell'atomo detto modello PLANETARIO  formato da un nucleo centrale con carica positiva +N⋅e (dove e è la carica dell'elettrone e N è il numero di elettroni). Nel nucleo è concentrata tutta la massa. N elettroni  ruotano intorno al nucleo per effetto dell'attrazione elettrostatica.

Inoltre ogni elemento chimico era caratterizzato da un particolare valore di N. Per l'idrogeno N=1 per l'elio N=2 ecc.

PROBLEMI del modello planetario: Gli elettroni per effetto della rotazione sono accelerati e come è noto una carica accelerata genera onde elettromagnetiche. Così secondo il modello planetario l'elettrone avrebbero dovuto perdere energia irradiando onde elettromagnetiche e l'atomo sarebbe così risultato instabile. Quindi secondo la teoria dell'elettromagnetismo gli elettroni avrebbero dovuto collassare sul nucleo.

esperimento di Rutherford

ATOMO DI BOHR (interpretazione quantistica): Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr risolse il problema fornendo un'interpretazione quantistica. Le ipotesi sono:

1) esistono orbite stabili associate ad una determinata energia dove l'elettrone può girare senza irradiare.

2) la transizione dell'elettrone da un'orbita di energia E1 ad un'orbita di energia E2 avviene solo per assorbimento o emissione di un quanto di energia hf=|E1-E2|

3)anche il momento angolare L dell'elettrone è quantizzato cioè può essere solo multiplo intero di una certa quantità :

CONTINUA

Altro video della RAI sulla storia del modello atomico . Rispetto al primo si concetra maggiormente sulla fisica del novecento. (ITA)

I RAGGI CATODICI 

video ESPERIMENTO DI RUTHERFORD

Video documentario su Bohr e il suo modello atomico - 2 parte

stabilità dell'atomo