Le onde elettromagnetiche

La luce visibile, le onde radio e TV, i raggi x e γ, l'infrarosso e l'ultravioletto sono costituite da una o più onde elettromagnetiche.
Un'onda, elettromagnetica e non, ha sempre: 

• una lunghezza d'onda (λ si legge lambda) → la distanza tra due punti omologhi consecutivi (due creste, due valli, ...);
• una frequenza (ν si legge ni) →  il numero di onde complete che passano in un secondo;
• la velocità di propagazione (v o c nel caso della velocità della luce) è lo spazio percorso da un punto dell'onda in un secondo. 

Le tre grandezze sono legate dalla relazione:

c = λ · ν          ν = c/λ          λ = c/ν

la velocità della luce nel vuoto è 299 792 458 metri al secondo → c ≃ 3,00 · 10⁸ m/s
Da questa relazione si evince che lunghezza d'onda e frequenza sono inversamente proporzionali:
a grandi lunghezze d'onda corrispondono frequenze molto basse, mentre a frequenze molto alte corrispondono lunghezze d'onda molto piccole. 

Spettro elettromagnetico: il grafico che rappresenta tutte le onde elettromagnetiche ordinate in base alla loro lunghezza d'onda o alla loro frequenza.

Radiazione visibile: sono tutte quelle onde elettromagnetiche che sono visibili all'occhio umano e che corrispondono ai colori dell'arcobaleno.

Diffrazione: è la prova più evidente della natura ondulatoria della luce.

La diffrazione

⚠️ diffrazione ≠ rifrazione 

La diffrazione è il fenomeno ondulatorio per cui un’onda si piega e si espande quando incontra un ostacolo o una fenditura; l’esperimento della doppia fenditura di Young dimostra questo effetto e rivela il dualismo onda-particella della luce e della materia.

Esperimento della doppia fenditura

1. Una sorgente luminosa monocromatica (es. laser) illumina una barriera con due fenditure parallele.
2. Dietro la barriera, uno schermo registra il pattern risultante: una serie di frange luminose e scure, dovute all’interferenza tra le onde diffratte dalle due fenditure.
   Dove tra le onde c'è un'interferenza positiva si ha una banda luminosa.
   ​Dove tra le onde c'è un'interferenza negativa si ha una banda scura o d'ombra.
   

La teoria quantistica

Intorno al 1900, il fisico tedesco Max Planck, suppose che l'energia può essere assorbita o emessa dalla materia solo in quantità ben definite e discrete (multipli interi di una determinata quantità), che chiamò quanti.
La luce è formata da onde elettromagnetiche che trasportano una quantità di energia, energia luminosa, e che prendono il nome di fotoni.
Ogni fotone ha un'energia che dipende dalla frequenza della radiazione, e grazie all'equazione di Planck è possibile calcolarla:

E = h · ν

h = costante di Planck = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s

Effetto fotoelettrico: è una delle prove della natura corpuscolare della luce. ​
Quando la luce colpisce un determinato metallo, questo può reagire rilasciando elettroni.
Questo fenomeno avviene solo se la radiazione che colpisce il metallo ha una determinata frequenza minima, al di sotto della quale non avviene nessun fenomeno.
La frequenza minima della radiazione incidente si chiama soglia fotoelettrica, pertanto si può dire che per poter avere questo effetto la radiazione deve possedere una minima quantità di energia. 
Ecco perché questo tipo di fenomeno giustifica la natura corpuscolare della luce.

La rifrazione

Prisma di vetro: strumento che permette di scomporre un fascio luminoso nelle diverse radiazioni che lo compongono.
Rifrazione: fenomeno di deviazione di un fascio di luce dovuto al passaggio da un materiale trasparente ad un altro avente densità diversa (aria-acqua, aria-vetro, vetro-acqua, ...) e con un angolo di incidenza non perpendicolare (non deve essere uguale a 90°).
Nel passaggio da un mezzo a densità bassa ad un altro a densità alta (aria-vetro) il raggio tende ad avvicinarsi alla verticale alla superficie, mentre nel passaggio da un mezzo ad alta densità ad uno con bassa densità (vetro-aria) il raggio tende ad allontanarsi dalla verticale.
Dispersione cromatica: è il fenomeno che permette alla luce bianca (policromatica) di essere scomposta.
Le radiazioni con lunghezze d'onda minori tendono ad essere deviate meno rispetto alle lunghezze d'onda maggiori, che risultano essere più deviate rispetto alla verticale. 
Quando la luce entra dal prisma la luce scomposta per effetto della dispersione cromatica e della rifrazione, quando poi esce dal prisma questo fenomeno risulta essere ancor più accentuato.

Le righe di emissione

Si parla di spettro di emissione quando si analizza la composizione di una luce emessa da una determinata sorgente, ad esempio il sole o una lampada.

Quando la luce solare, o la luce di una lampada a incandescenza (con filamento di tungsteno), colpisce uno spettroscopio osserviamo un fenomeno particolare nel quale ci appaiono una sequenza di colori come quando si osserva un arcobaleno.
I colori sfumano dall'uno all'altro in modo graduale e continuo, questo vuol dire che la radiazione visibile è formata da un'insieme di onde che vanno dall'una a quella successiva senza interruzioni.
Abbiamo uno spettro continuo quando osserviamo la luce emessa da un solido, un liquido o un gas compresso portati ad alta temperatura.

Quando un gas rarefatto è portato ad alte temperature emette luce. 
Questo accade perché gli atomi che compongono il gas emettono sotto forma di energia luminosa l'energia termica che hanno assorbito. 
Scomponendo la luce emessa dal gas con uno spettroscopio è possibile conoscere quali sono le lunghezze d'onda (o le frequenze) dell'insieme delle radiazioni che sono state emesse.
Questo insieme di radiazioni è caratteristico per ciascun elemento chimico e questa caratteristica porta gli scienziati a determinare la natura di un determinato elemento analizzandone il suo spettro di emissione.  

I quanti di energia

Un quanto di energia è la minima quantità discreta di energia che un sistema atomico può assorbire o emettere. Non esiste un flusso continuo di energia: gli elettroni possono solo saltare tra livelli energetici ben definiti, e ogni salto comporta l’assorbimento o l’emissione di un quanto.

• Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in livelli energetici quantizzati.
• Ogni livello è identificato da un numero quantico principale n = 1, 2, 3, …

Quando un elettrone passa da un livello a un altro, la variazione di energia è data da:
ΔE = (Energia finale) − (Energia iniziale) = h⋅ν
dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza della radiazione emessa o assorbita.
Viene assorbita energia quando si passa da un livello energetico ad un altro più esterno.
Viene emessa energia quando si passa da un livello energetico ad un altro più interno.

Atomi allo stato fondamentale e atomi allo stato eccitato

• Gli atomi allo stato fondamentale hanno gli elettroni nei livelli energetici più bassi possibili, riempiono, cioè, i diversi orbitali secondo lo schema presentato sotto.
  L'atomo non ha energia in eccesso e non ha assorbito energia esterna.
  
• Gli atomi allo stato eccitato hanno uno o più elettroni in livelli energetici superiori dopo aver assorbito energia.
  Si verifica quando l'atomo assorbe energia (sottoforma di luce, calore, urti, ecc.).
  Uno o più elettroni saltano a livelli energetici superiori, cioè più lontani dal nucleo.
  É uno stato instabile → quando l'atomo ritorna allo stato fondamentale riemette la stessa quantità di energia sottoforma di radiazione elettromagnetica.
  ⚠️ si ha la ionizzazione, cioè la perdita di uno o più elettroni, quando la quantità di energia assorbita supera una determinata soglia.
  

Colori alla fiamma

Metalli diversi producono fiamme di colore diverso quando bruciano in ossigeno a causa delle strutture elettroniche uniche e dei livelli di energia di ciascun metallo. Quando riscaldati, gli elettroni di valenza (quelli più esterni) all'interno degli atomi metallici assorbono energia e si eccitano. Quando questi elettroni eccitati ritornano al loro stato fondamentale, rilasciano energia sotto forma di fotoni luminosi, producendo un colore caratteristico a seconda della lunghezza d'onda della luce emessa.

Litio      

Sodio

Potassio

Calcio

Stronzio

Bario

Rame

Ferro

Magnesio

La forma degli orbitali

Si chiama orbitale quella funzione matematica che descrive la probabilità di trovare l'elettrone in una determinata porzione di spazio attorno al nucleo.

Solo per curiosità, poi chi proseguirà gli studi potrà comprendere meglio, eccovi la forma dei diversi tipi di orbitali in funzione anche del livello energetico.

La configurazione elettronica

Pagina creata il 15 settembre 2025