La scala dellenergia
📝 Abstract
In this article, halfway between popularized exposition and historical account, some key moments in the development of atomic theory in its beginnings are discussed. In particular, the events and the major discoveries that have highlighted the discrete structure of the atom’s energy levels are presented in their logical and chronological sequence, starting from early studies on the decomposition of light by prisms until the quantum theory. — In questo articolo, a met`a strada tra l’esposizione divulgativa e il resoconto storico, vengono affrontati alcuni momenti significativi dello sviluppo della teoria atomica ai suoi primordi. In particolare, sono presentati, nella loro sequenza logica e cronologica, gli avvenimenti e le scoperte principali che hanno messo in luce la struttura discreta dei livelli di energia dell’atomo, dai primi studi sulla scomposizione della luce coi prismi alla teoria quantistica.
💡 Analysis
In this article, halfway between popularized exposition and historical account, some key moments in the development of atomic theory in its beginnings are discussed. In particular, the events and the major discoveries that have highlighted the discrete structure of the atom’s energy levels are presented in their logical and chronological sequence, starting from early studies on the decomposition of light by prisms until the quantum theory. — In questo articolo, a met`a strada tra l’esposizione divulgativa e il resoconto storico, vengono affrontati alcuni momenti significativi dello sviluppo della teoria atomica ai suoi primordi. In particolare, sono presentati, nella loro sequenza logica e cronologica, gli avvenimenti e le scoperte principali che hanno messo in luce la struttura discreta dei livelli di energia dell’atomo, dai primi studi sulla scomposizione della luce coi prismi alla teoria quantistica.
📄 Content
1 La scala dell’energia Anna Maria Aloisi IPSIA “A. Meucci”, Cagliari, http:apmf.interfree.it, ampf@interfree.it, aloisiannamaria@progettomarte.net Pier Franco Nali Dirigente con incarico di studio, ricerca e consulenza presso la Regione Sardegna, Cagliari, pnali@regione.sardegna.it
famose Lezioni di Fisica di Feynman si aprono con l’affermazione che l’ipotesi atomica, cioè l’idea che tutte le cose sono formate di atomi - minuscole particelle che si urtano e si respingono agitandosi in continuazione - rappresenta il concetto più importante, potente ed unificante di tutta la scienza. Come ci fa notare Feynman, si tratta di un’idea scientifica che si può esprimere con un piccolo numero di parole, ma comunica molte informazioni importanti sul mondo fisico; inoltre ci trasmette un’immagine intuitiva e al tempo stesso concreta e dinamica del mondo degli atomi, dandocene una prospettiva dall’alto che ricorda le straordinarie visioni cosmiche di Lucrezio e Democrito. Ma se cambiamo prospettiva e consideriamo ciò che avviene all’interno di un atomo, qual è l’idea più importante che ci aiuta a capire il mondo a questo livello più profondo? È, secondo noi, l’ipotesi di Bohr che un atomo può trovarsi soltanto in un numero determinato di stati permessi che obbedisce a condizioni specifiche - e non in uno qualsiasi degli infiniti stati possibili che ci dà la fisica classica - e compie transizioni soltanto fra questi stati discreti. Ci è stato insegnato che gli stati atomici sono occupati da elettroni e che durante le transizioni gli elettroni “saltano” da uno stato a un altro, ma per il momento possiamo prescindere da questo dato e parlare di stati e di transizioni per l’atomo nel suo complesso. Per visualizzare l’idea di Bohr con un’immagine intuitiva potete pensare a una scala dove ogni gradino rappresenta uno stato atomico. La chiameremo la “scala dell’energia”, perché ogni stato/gradino è contraddistinto da un valore determinato di questa grandezza fisica. Ciascun gradino corrisponde cioè ad un “livello energetico”, intendendo con questo termine il valore dell’energia in uno degli stati permessi. Normalmente un atomo può rimanere per un tempo indefinito ai piedi della scala. Quando si trova in questa condizione si dice che l’atomo è nello “stato fondamentale”, caratterizzato dalla minima LE
2 energia possibile. Assorbendo energia l’atomo può saltare su un livello/gradino superiore e in questo caso si dice che l’atomo passa in uno stato “eccitato”. Da uno stato eccitato l’atomo può tornare nello stato fondamentale (o comunque su un livello/gradino inferiore) cedendo energia e si parla allora di “decadimento” dell’atomo. Poiché il decadimento può avvenire spontaneamente, cioè senza assorbimento di energia, si verifica più facilmente dell’eccitazione, tranne quando l’atomo si trova già nello stato fondamentale, al di sotto del quale non può ulteriormente decadere. Se assorbe una quantità di energia superiore ad una soglia critica, l’atomo salta di botto tutti i gradini portandosi in cima alla scala, e di lì scivola via come su una superficie liscia. Quest’ultimo processo viene chiamato “ionizzazione” dell’atomo, perché lo trasforma in uno ione portandogli via un elettrone. Abbiamo così l’immagine di un atomo che saltella su e giù per i gradini della scala dell’energia, assorbendo o cedendo una quantità di energia pari al dislivello coperto nel salto. La differenza di energia tra due livelli successivi, cioè l’altezza dei gradini, diminuisce man mano che si sale lungo la scala, come potete vedere nella figura (12) in fondo all’articolo. Noterete inoltre che i gradini divengono sempre più numerosi avvicinandosi alla cima della scala. In effetti, anche osservando col massimo ingrandimento non potreste contarli… ce ne sono un’infinità! L’immagine della scala atomica dell’energia ci da un’idea intuitiva dei livelli energetici nell’atomo, che ci permette d’interpretare in modo elementare molti fenomeni non spiegabili con la sola fisica classica. È un’immagine al tempo stesso semplice, potente e pervasiva. In questo articolo seguiremo il filo logico-cronologico dei principali avvenimenti e scoperte che hanno portato alla luce la scala atomica dell’energia, dalle ipotesi ottocentesche di un legame tra spettri luminosi e struttura atomica, ai modelli atomici “classici” nel primo Novecento, fino alla teoria quantistica dell’atomo (1913). In particolare vedremo come dallo studio fenomenologico degli spettri atomici è stata dedotta l’esistenza di livelli energetici discreti e come questi sono stati visti “entrare in azione” quando gli atomi percorrono la scala dell’energia, negli esperimenti di collisione anelastica con elettroni (1914). I - Gli spettri e la spettroscopia In fisica s’intende con il termine “spettro” la distribuzione dell’intensità della luce, e in generale di una radiazione, in funzione della lunghezza d’onda, della frequenza o dell’energi
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