Fondamenti delle Grandezze Fisiche e Unità di Misura

Le grandezze fisiche sono quantità che possono essere misurate e si dividono in fondamentali e derivate secondo il Sistema Internazionale (SI). Le grandezze fondamentali includono lunghezza (metro), massa (kilogrammo), tempo (secondo), corrente elettrica (ampere), temperatura termodinamica (kelvin), quantità di sostanza (mole) e intensità luminosa (candela). Le grandezze derivate sono combinate dalle fondamentali, come la velocità (metro al secondo) e la forza (newton). Le grandezze estensive, come il volume, variano con la quantità di materia, mentre quelle intensive, come la pressione, non dipendono dalla dimensione del campione. Il peso è la forza di attrazione gravitazionale esercitata su un corpo e si misura in newton. La densità è il rapporto tra la massa e il volume di un corpo. L'energia, la cui unità di misura è il joule, è la capacità di un corpo di compiere lavoro o trasferire calore, con il lavoro definito come il prodotto della forza per lo spostamento. L'energia si presenta in forme come quella cinetica, associata al movimento, e potenziale, legata alla posizione in un campo di forze. La temperatura misura l'agitazione termica delle particelle di un corpo e il calore è il trasferimento di energia termica tra corpi a diverse temperature. Il calore specifico è l'energia necessaria per aumentare di 1 kelvin la temperatura di 1 kg di una sostanza. Le misurazioni possono essere affette da errori sistematici o casuali, che si cerca di ridurre per migliorare l'accuratezza dei risultati.

La Chimica e la Classificazione della Materia

La chimica è la scienza che studia la composizione, le proprietà, le trasformazioni della materia e l'energia implicata in questi processi. Una fase è una regione omogenea di materia, mentre un sistema è l'insieme di fasi oggetto di studio, che può essere omogeneo, con una sola fase e proprietà uniformi, o eterogeneo, con più fasi e proprietà variabili. La materia si classifica in sostanze pure, con composizione chimica definita e costante, e miscugli, formati da due o più componenti. I miscugli possono essere omogenei (soluzioni) o eterogenei, con componenti visibilmente distinti. Le sostanze in un miscuglio mantengono le loro proprietà chimiche e possono essere separate con metodi fisici. La materia si presenta in tre stati fisici principali: solido, liquido e gassoso, e può cambiare stato attraverso processi fisici come fusione, evaporazione, sublimazione, condensazione, solidificazione e brinamento, influenzati da temperatura e pressione.

L'Atomo e i Modelli Atomici

L'atomo è l'unità fondamentale della materia, composto da un nucleo centrale carico positivamente, con protoni e neutroni, e da elettroni negativi che orbitano attorno al nucleo. Il modello atomico di Thomson, che immaginava gli elettroni immersi in una sfera di carica positiva, è stato superato dal modello di Rutherford, che proponeva un nucleo centrale denso circondato da elettroni. Il modello di Rutherford non spiegava la stabilità atomica né gli spettri di emissione, problemi risolti dal modello di Bohr con l'introduzione di orbite quantizzate per gli elettroni. Tuttavia, il modello di Bohr aveva limitazioni e fu sostituito dal modello quantomeccanico, che descrive gli elettroni tramite funzioni d'onda e probabilità di presenza in determinate regioni dello spazio.

Principi della Meccanica Quantistica e Configurazioni Elettroniche

La meccanica quantistica è la teoria che descrive il comportamento delle particelle a livello atomico e subatomico, dove mostrano proprietà sia ondulatorie sia corpuscolari. L'equazione di Schrödinger è fondamentale per calcolare le funzioni d'onda degli elettroni, che non hanno traiettorie definite ma regioni di probabilità di presenza, chiamate orbitali. I numeri quantici principale (n), orbitale (l), magnetico (m) e di spin (s) definiscono le proprietà degli elettroni in un atomo. Gli orbitali s, p, d e f hanno forme e livelli energetici distinti. Il principio di esclusione di Pauli afferma che non possono esistere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici in un atomo, determinando la configurazione elettronica unica per ogni elemento.