1. Esperimento di
Millikan - misura della carica elementare
La natura granulare di carica elettrica (in altre parole l'esistenza
di un quanto di carica) fu mostrata da R. A: Millikan nel 1911. Lui studiò
la caduta libera di micro- gocce di olio in presenza di un campo elettrico
verticale. In assenza di campo le forze che agiscono su una goccia
sono: la forza di gravità, la spinta di Archimede e l'attrito
viscoso dell'aria (descritto dalla legge di Stokes). In condizioni stazionarie
le tre forze sono in equilibrio e le gocce scendono con un velocità
uniforme v – così misurandola si risale al raggio della
goccia r (e il suo peso). Applicando campo elettrico E,
le gocce (se cariche con la carica q) sono soggette ad un'ulteriore
forza F=qE, e cambiano la loro velocità. Dalla misura delle
velocità nuova si risale alla carica q.
L'apparato consiste da un nebulizzatore (come per fare inalazioni)
e un condensatore elettrico ad armature parallele, all'interno di quale
cadono le gocce,
osservate con un microscopio (che inverte l'immagine!).
Osserva
attentamente i filmati: certe gocce sono cariche (a causa di strofinamento
durante la nebulizzazione)
ed, applicando e togliendo campo elettrico, si riesce a cambiare
la loro velocità.
2. Misura del rapporto e/m
Nella misura del rapporto e/m il campo magnetico creato
da due bobine (chiamate bobine di Helmholtz) fa curvare la traiettoria
di elettroni emessi da un cannone elettronico (si vede il filamento
rosso). Se il campo non è sufficientemente forte, elettroni non
riescono a compiere una traiettoria circolare, ma si fermano sulla parete
dell'ampolla. Se la corrente di elettroni emessi è troppo grande,
il fascio si divide. Nel simile modo, se il campo magnetico non è
perfettamente perpendicolare alla velocità iniziale di elettroni,
essi compiono una traiettoria a spirale.
3. Spettroscopia
di emissione ottica
La
spettroscopia ottica (di emissione) analizza "il colore" della luce.
La lampada ai vapori di cadmio sembra "celeste" ma lo spettro contiene
anche una riga rossa, facilmente osservabile persino con un CD. La figura
3 e 4 della lampada al cadmio sono state ottenute con un spettrometro
"professionale", con un reticolo di diffrazione - sulla figura 4 vediamo
due ordini dello spettro. Lo spettro della lampada a vapori di sodio
(a bassa pressione) è costituito da due righe gialle.
Diverse
sorgenti di luce emettono "colori diversi". Lo spettro di una lampadina
ad incandescenza è uno spettro continuo, approssimato bene
dalla legge di Planck.
Lo spettro della lampada stradale ("bianca") – al mercurio,
mostra diverse righe in rosso, blu, e anche nell'ultravioletto.
Anche la lampada "economica", come si vede dallo spettro (figura
3) contiene mercurio, insieme con altri elementi chimici. Lo stesso
mercurio si trova nella lampada "a neon" – lo spettro contiene un fondo
largo, dovuto alla emissione di strato "luminescente" che ricopre l'interno
del tubo. Lo spettro della lampada stradale "gialla" (fig.5) è
diverso – elemento chimico dominante e il sodio; alta pressione di
vapori di sodio dentro la lampada fanno diventare la riga estremamente
larga (e "vuota" in mezzo, a causa di auto-assorbimento).
4. Esperienza
di Franck-Hertz
Esperienza di Franck-Herz è la parte complementare di spettroscopia
ottica di emissione. Se atomi emettono energia in porzioni ben definite (quanti)
probabilmente la assorbono anche a quanti.
Il passaggio della corrente di elettroni in un ampolla riempita di gas (mercurio
o neon, come qua) si interrompe, quando elettroni perdono energia corrispondente
ad energia di eccitazione di livelli energetici atomici (per es. 4.8 eV per
mercurio, 15.6 eV per neon).
Vedi anche schema, tratto dalla ref. [1].
5. Correnti di Foucault
Campo magnetico variabile genera (in conduttori) correnti parasita, chiamate
di Foucault (come il famoso pendolo).
Osserva attentamenti questi filmati, e spiegali.
Bibliografia
[1] Hermann Haken, Hans C. Wolf, Fisica Atomica e Quantistica, Bollati Boringheri
editore, Torino, 1990
(C)
Concetti, esperimenti, lezioni, filmati, html, testo (C) Grzegorz Karwasz (2005)
Framework organizzativo e laboratori: prof. Marisa Michelini, Universita' di Udine, con cordiali ringraziamenti
Lezioni svolte con studenti della Scuola Superiore per Insegnamento Secondario, con rigraziamenti per l'attenzione prestata
Mullikan experiment: set prestato dall'Universita' di Trento, gentile collaborazione dott. Enrico Gratton, con ringraziamenti
Collaborazione nelle riprese e esperimenti: mgr Maria Karwasz
