Atomo

La più piccola porzione di materia che può definire un elemento e che ne possiede le proprietà chimiche. La parola 'atomo', che deriva dal greco átomos, 'indivisibile', veniva usata dagli antichi filosofi per definire le entità elementari, indistruttibili e indivisibili, che costituivano la materia. L'atomo era considerato la più piccola porzione di materia che potesse essere concepita, e questa idea prevalse fino a quando la natura dell'atomo divenne uno degli argomenti principali della ricerca scientifica sperimentale.

Nei secoli XVI e XVII i risultati ottenuti nell'ambito della chimica diedero un notevole impulso allo sviluppo della teoria atomica. I primi esperimenti misero in evidenza che le sostanze potevano essere suddivise nei loro componenti ultimi, o in 'corpi semplici', e che questi potevano combinarsi in modo intimo per formare nuovi composti con proprietà del tutto diverse. In altre parole cominciò a delinearsi il concetto di elemento chimico.

La teoria di Dalton

La natura degli elementi fu precisata dal punto di vista scientifico e quantitativo dal chimico britannico John Dalton, oggi considerato il padre della moderna teoria atomica. Partendo dall'osservazione che gli elementi si combinano per formare i diversi composti secondo rapporti in peso ben definiti, egli sviluppò il concetto moderno di atomo come particella di dimensioni e peso caratteristici per ciascun elemento. In un secondo tempo si comprese che le reazioni chimiche che avvengono tra elementi danno luogo alla formazione di molecole, cioè di aggregati di più atomi di composizione definita e costante. Ogni molecola d'acqua, ad esempio, è composta da un atomo d'ossigeno e da due atomi di idrogeno legati da forze di natura elettrostatica, come è indicato dalla formula chimica H2O. Vedi Reazioni chimiche.

La legge di Avogadro

Nel 1811 il chimico italiano Amedeo Avogadro formulò la legge secondo cui volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di particelle. Ciò implica che due contenitori identici, ad esempio con capacità di un litro, riempiti rispettivamente di elio e di ossigeno, contengono lo stesso numero di particelle; nel primo caso si tratta effettivamente di atomi, nel secondo di molecole biatomiche di formula O2.

Pesi atomici

Dalla legge di Avogadro si può dedurre che il peso di volumi di riferimento (ossia la densità) dei diversi gas è proporzionale al peso delle singole molecole che li costituiscono. In altre parole, se un litro di ossigeno pesa sedici volte in più rispetto a un litro di idrogeno, è possibile concludere che il peso di una molecola, o di un atomo, di ossigeno, è sedici volte maggiore del peso di una molecola o di un atomo di idrogeno. Ciò permette di assegnare in modo semplice i pesi atomici o molecolari dei diversi elementi. Se si assume come riferimento l'atomo di carbonio assegnandogli un peso di dodici unità di massa atomiche (uma), l'idrogeno avrà peso atomico 1,0079 uma, l'elio 4,0026 uma, il fluoro 18,9984 uma e il sodio 22,9898 uma.

Il fatto che il peso atomico di molti elementi fosse vicino a un numero intero indusse lo scienziato britannico William Prout a suggerire che tutti gli atomi fossero 'composti' da atomi di idrogeno. Ben presto, tuttavia, la scoperta di nuovi elementi e la misurazione più precisa dei pesi atomici degli elementi noti sembrò invalidare questa ipotesi.

Durante la prima metà del secolo si assunse come riferimento per la scala dei pesi atomici l'atomo di ossigeno, a cui era assegnato peso atomico 16. All'inizio degli anni Sessanta l'unione internazionale di chimica e fisica decise di adottare come nuovo standard il carbonio 12, a cui venne assegnato peso atomico esattamente uguale a 12; questa scelta si è dimostrata particolarmente appropriata dal momento che il carbonio 12 viene molto spesso utilizzato per tarare gli spettrometri di massa. Le tabelle dei pesi atomici basate sul carbonio 12 e sull'ossigeno naturale sono comunque in ottimo accordo.

La tavola periodica

Verso la metà del XIX secolo i chimici osservarono che il comportamento chimico-fisico degli elementi presentava delle regolarità che potevano essere evidenziate organizzando gli elementi in una forma tabulare. Il chimico russo Dmitrij Ivanovic Mendeleev propose una tavola periodica in cui gli elementi erano disposti secondo righe e colonne, in modo da raggruppare quelli aventi caratteristiche chimico-fisiche simili. A ciascun elemento era assegnato, in funzione della posizione che occupava nella tavola, un numero progressivo (numero atomico) variabile tra 1 per l'idrogeno e 92 per l'uranio. Poiché non tutti gli elementi erano stati scoperti, alcune posizioni rimasero vacanti.

Le dimensioni degli atomi

Per lungo tempo gli scienziati si impegnarono nel tentativo di determinare le dimensioni e il peso degli atomi, tuttavia la mancanza di strumenti e di tecniche adeguate impedì loro di ottenere risposte soddisfacenti. In seguito una serie di validi esperimenti permise di stabilire che l'atomo di idrogeno ha diametro di circa 10-10 metri e pesa circa 1,7 10-24 grammi. Questo significa che una goccia d'acqua contiene più di mille miliardi di miliardi di atomi di idrogeno.

Radioattività

Verso la fine del XIX secolo una serie di importanti scoperte mostrò chiaramente che l'atomo poteva essere ulteriormente suddiviso. Nel 1895 lo scienziato tedesco Wilhelm Conrad Röntgen annunciò la scoperta dei raggi X, radiazioni capaci di penetrare attraverso fogli di piombo, e l'anno successivo il fisico francese Antoine-Henri Becquerel scoprì che alcune sostanze, come ad esempio i sali di uranio, emettevano radiazioni penetranti di origine sconosciuta. Le ricerche sulla radioattività, condotte dagli scienziati francesi Marie e Pierre Curie e indipendentemente dal fisico britannico Ernest Rutherford, permisero di concludere che alcuni elementi pesanti, quali l'uranio, il torio e il radio emettono tre diversi tipi di radiazioni, chiamate raggi alfa (a), beta (b) e gamma (g). Nel 1897 la scoperta dell'elettrone, a opera del fisico britannico Joseph John Thomson, rese evidente che gli atomi sono composti da particelle più piccole. In breve tempo, le ulteriori ricerche sul comportamento degli elementi instabili permisero di definire la natura delle diverse forme di radiazione osservate; i raggi gamma vennero identificati come onde elettromagnetiche, quindi simili ai raggi X ma di lunghezza d'onda minore; si scoprì che i raggi beta erano costituiti da elettroni e che i raggi alfa erano nuclei di elio.

L'atomo di Rutherford

La comprensione dei meccanismi del decadimento radioattivo di alcuni elementi permise ai fisici di studiare in modo approfondito la natura degli atomi. Si scoprì che l'atomo è costituito principalmente da uno spazio vuoto, al centro del quale si trova un nucleo di dimensioni pari a circa un decimillesimo del diametro dell'intero atomo. I risultati degli esperimenti di diffusione di particelle alfa da parte di atomi di elementi metallici, condotti da Rutherford, permisero di concludere che la massa dell'atomo è contenuta in massima parte nel nucleo, attorno al quale gli elettroni ruotano percorrendo orbite concentriche. La carica positiva del nucleo viene bilanciata dalla carica negativa trasportata dagli elettroni, cosicché complessivamente l'atomo risulta elettricamente neutro.

L'atomo di Rutherford, tuttavia, risultava instabile dal momento che gli elettroni, ruotando intorno al nucleo con accelerazione diversa da zero, avrebbero dovuto irraggiare onde elettromagnetiche e perdere progressivamente energia, fino a collassare sul nucleo. Ciò naturalmente non era in accordo con l'evidenza sperimentale.

L'atomo di Bohr

Per eliminare le discrepanze tra l'atomo di Rutherford e i dati sperimentali, nel 1913 il fisico danese Niels Bohr propose un nuovo modello atomico, poi divenuto la base concettuale della moderna teoria quantistica. Secondo Bohr gli elettroni percorrono orbite stazionarie intorno al nucleo, senza subire variazioni di energia. A ogni orbita corrisponde un determinato valore dell'energia degli elettroni (livello energetico) e l'emissione di radiazione avviene in seguito alle transizioni elettroniche tra orbite diverse. In particolare l'atomo emette radiazione elettromagnetica se un elettrone si sposta da un livello energetico superiore a uno inferiore, e assorbe radiazione nel caso contrario.

La disposizione degli elettroni è detta configurazione elettronica dell'atomo. Il numero totale degli elettroni è uguale al numero atomico dell'atomo: l'idrogeno, ad esempio, ha un unico elettrone, l'elio ne ha due e così via. I gusci elettronici vengono riempiti in modo regolare, dal primo livello fino al settimo, e ciascuno di essi può contenere al massimo un numero definito di elettroni. Il primo livello è completo quando contiene due elettroni, il secondo può contenere otto elettroni, il terzo diciotto, e così via. Il comportamento chimico di un atomo è determinato essenzialmente dal numero degli elettroni più esterni, ossia di quelli appartenenti al livello quantico più lontano dal nucleo.

I gas nobili (elio, neo, argo, cripto, xeno e rado) hanno il livello energetico più esterno completamente occupato, e ciò spiega il caratteristico comportamento chimico di questi elementi: sono gas estremamente inerti e in natura non reagiscono con nessun altro elemento, sebbene in laboratorio siano recentemente stati sintetizzati alcuni fluoruri di cripto, xeno e rado. Il guscio più esterno degli atomi dei metalli alcalini (litio, sodio e potassio) contiene invece un solo elettrone che può essere facilmente 'ceduto' ad atomi di natura diversa, formando un gran numero di composti chimici. Un comportamento in un certo senso speculare caratterizza gli alogeni (fluoro, cloro, bromo e iodio) il cui livello energetico esterno può essere completato aggiungendo un solo elettrone; questo giustifica l'alta reattività di questi atomi che tendono a combinarsi con gli altri elementi, 'acquistando' l'elettrone mancante.

I livelli elettronici non vengono necessariamente riempiti in ordine consecutivo. Nei primi diciotto elementi della tavola periodica gli elettroni sono disposti in modo regolare e ogni livello energetico viene completato prima del successivo; tuttavia, a partire dal diciannovesimo elemento questo ordine non viene rispettato, pur continuando a valere alcune 'regole di riempimento'. La periodicità delle configurazioni elettroniche si riflette nelle caratteristiche chimico-fisiche degli elementi, e giustifica da un punto di vista teorico la disposizione di essi nella tavola periodica.

È opportuno sottolineare che la teoria originariamente proposta da Bohr prevedeva che gli elettroni ruotassero attorno al nucleo percorrendo orbite stazionarie analoghe a quelle dei pianeti attorno al Sole. In realtà la visione moderna dell'atomo, basata sulla meccanica quantistica, è più complessa e comporta una descrizione probabilistica del moto dell'elettrone attorno al nucleo.

Spettri a righe

Uno dei principali successi dei fisici teorici fu la spiegazione degli spettri a righe caratteristici di ciascun elemento. Se vengono eccitati per mezzo di una opportuna sorgente di energia, gli atomi emettono radiazione elettromagnetica di frequenza ben definita. Ad esempio l'idrogeno gassoso in condizioni di bassa pressione emette luce visibile di color rosso quando viene attraversato da cariche elettriche. L'attento esame di questa radiazione, compiuto per mezzo di uno spettroscopio, mostra che in realtà il gas emette uno spettro a righe, cioè una serie di frequenze regolarmente distanziate una dall'altra. La teoria di Bohr permette di calcolare le lunghezze d'onda dello spettro di emissione in modo semplice e preciso, ipotizzando che ciascuna riga spettrale corrisponda al salto di un elettrone da un livello superiore e quindi più distante dal nucleo a uno corrispondente a una quantità minore di energia. Gli elettroni che normalmente occupano i livelli quantici più vicini al nucleo, e perciò hanno energia più bassa, vengono 'eccitati' dalle scariche elettriche e spostati su livelli quantici superiori; 'ricadendo' a un livello inferiore, essi cedono energia sotto forma di radiazione.

Molti atomi pesanti possono essere eccitati in modo da coinvolgere gli elettroni più vicini al nucleo e da provocare transizioni elettroniche tra livelli energetici interni. Queste transizioni determinano l'emissione di raggi X, cioè di radiazioni molto penetranti, a frequenza altissima.

Il nucleo atomico

Nel 1919 Rutherford osservò che le particelle alfa, incidendo su un campione di azoto, provocano la formazione di atomi di ossigeno e contemporaneamente l'emissione di particelle dotate di carica positiva. In seguito si scoprì che queste particelle, che vennero chiamate protoni, sono identiche ai nuclei degli atomi di idrogeno e sono i costituenti dei nuclei di tutti gli elementi.

Nessun nuovo indizio sulla struttura dei nuclei si ebbe fino al 1932, quando il fisico britanico James Chadwick scoprì il neutrone, una particella nucleare avente massa quasi identica a quella del protone ma priva di carica elettrica. Oggi si sa che tutti i nuclei sono costituiti esclusivamente da protoni e neutroni; inoltre in ogni atomo il numero di protoni è uguale al numero di elettroni e quindi al numero atomico. Gli isotopi di uno stesso elemento possiedono un ugual numero di elettroni e di protoni, e quindi manifestano le stesse proprietà chimiche, ma differiscono nel numero dei neutroni. Nel caso del cloro, i simbolo 35Cl e 37Cl indicano rispettivamente gli isotopi cloro 33 e cloro 37; in ciascuno dei due casi l'apice indica il numero di massa dell'isotopo, che è uguale alla somma del numero di protoni (che per il cloro è necessariamente 17) e del numero di neutroni. Talvolta si adotta la notazione}Cl, in cui viene esplicitato il numero atomico.

Radioattività artificiale

Nei primi anni Trenta gli esperimenti compiuti dai fisici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie mostrarono che i nuclei di elementi stabili potevano essere resi radioattivi in modo artificiale, bambardando gli atomi con particelle nucleari accelerate oppure con radiazioni di frequenza opportuna. Questo procedimento determina la formazione di isotopi radioattivi, detti anche radioisotopi, che sono il prodotto di complesse reazioni nucleari. In seguito, lo sviluppo di potenti acceleratori di particelle permise di accelerare i proiettili nucleari a energie molto elevate, rendendo possibile l'osservazione di migliaia di reazioni nucleari e lo studio del comportamento di isotopi radioattivi di diversa natura.

Reazioni nucleari

Nel 1932 i due scienziati britannici John Cockcroft ed Ernest Walton impiegarono particelle accelerate artificialmente per disintegrare nuclei atomici. Nel corso di un celebre esperimento essi bombardarono un bersaglio di litio con un fascio di protoni accelerato mediante un moltiplicatore di tensione. I nuclei di litio 7 si spezzarono in due frammenti, ciascuno dei quali era un nucleo di elio 4. La reazione nucleare che ha luogo in questo processo può essere espressa per mezzo dell'equazione

7Li+ 1H± 4He + 4He

Il litio 7, l'idrogeno fondamentale e l'elio 4 hanno rispettivamente massa 7,018242 uma, 1,008137 uma e 4,003910 uma. La somma delle masse dei reagenti è uguale a 8.026379 uma, mentre quella dei prodotti vale 8,007820 uma: la reazione comporta quindi una perdita di massa pari a 0,018559 uma. Usando la relazione di Albert Einstein E= mc2, che esprime l'equivalenza tra massa ed energia, si conclude che 1 uma equivale a 931,3 MeV, e che la reazione nucleare indicata è accompagnata dal rilascio di 17,28 MeV. La quantità di massa persa si trasforma in energia cinetica dei nuclei di elio che si formano nel corso della reazione. Chimica nucleare.

Acceleratori di particelle

Intorno al 1930 il fisico statunitense Ernest Lawrence progettò un acceleratore di particelle, che prese il nome di ciclotrone, capace di accelerare particelle atomiche confinate in un campo magnetico, per mezzo di forze attrattive e repulsive di orgine elettrica. L'accelerazione viene prodotta nel vuoto cosicché non si verificano collisioni con le molecole d'aria. Attualmente i ciclotroni sono stati perfezionati e sono state sviluppate macchine capaci di accelerare i nuclei a energie molto alte; tuttavia, per produrre i campi magnetici ed elettrici richiesti nei ciclotroni è necessaria una strumentazione sofisticata e pesante, e ciò rende l'installazione di queste macchine notevolmente costosa.

Forze nucleari

La moderna teoria nucleare è basata sull'assunto che i nuclei sono formati da protoni e neutroni, legati da 'forze nucleari' di intensità molto elevata. Lo studio e la comprensione della natura di questa forza richiese innumerevoli esperimenti nel corso dei quali furono rilevate oltre duecento particelle elementari, cioè minuscole entità di materia, la maggior parte delle quali ha vita media inferiore a un centomilionesimo di secondo.

La comprensione delle forze nucleari ebbe inizio con lo studio dei raggi cosmici, radiazioni costituite da particelle estremamente energetiche che giungono a Terra dallo spazio interstellare. La radiazione cosmica include una grande varietà di particelle elementari, alcune delle quali hanno energie superiori a quelle ottenibili sperimentalmente anche con i più moderni e sofisticati acceleratori di particelle. La collisione tra queste particelle 'veloci' e i nuclei di elementi noti provoca la formazione di nuove particelle che possono essere rivelate e studiate. Tra le prime particelle scoperte per questa via sono da citare i muoni (rivelati nel 1937), particelle pesanti con massa pari a circa duecento volte la massa dell'elettrone e dotate di carica positiva o negativa. L'esistenza del pione, ipotizzata nel 1935 dal fisico giapponese Yukawa Hideki, fu confermata nel 1947. Secondo la moderna teoria nucleare, le particelle nucleari sono legate e interagiscono per mezzo delle cosiddette forze o interazioni di scambio, che consistono in un continuo scambio di pioni. Sono stati scoperti tre pioni, aventi massa 270 volte maggiore rispetto a quella dell'elettrone, e dotati rispettivamente di carica positiva, negativa o nulla.

Particelle elementari

Per lungo tempo i fisici hanno desiderato una teoria che permettesse di classificare l'enorme varietà di particelle scoperte. Esse vengono attualmente raggruppate in relazione alla natura della forza che gioca un ruolo dominante nelle loro interazioni. Si distinguono pertanto gli adroni, particelle soggette alla forza nucleare forte e a quella elettromagnetica che comprendono gli iperoni, i mesoni, il protone e il neutrone, e i leptoni soggetti invece alla forza elettromagnetica e all'interazione nucleare debole, tra i quali si trovano la particella tau, il muone, l'elettrone e i neutrini. Secondo l'elettrodinamica quantistica alcune particelle, dette bosoni di Gauge, sono responsabili dello scambio delle forze fondamentali della natura. Esse sono il fotone, che 'trasporta' la forza elettromagnetica, le particelle W e Z, che 'trasportano' la forza nucleare debole, i gluoni che 'trasportano' l'interazione nucleare forte, e i gravitoni, ipotetiche particelle che dovrebbero 'trasportare' la forza gravitazionale. L'uso di acceleratori di particelle ha permesso di stabilire anche che a ogni particella corrisponde una antiparticella di uguale massa, ma di carica e altre proprietà quantistiche (i cosiddetti numeri quantici) opposte.

Nel 1963 i fisici americani Murray Gell-Mann e George Zwei proposero che gli adroni fossero in realtà composti da nuove particelle elementari, chiamate quarks, interagenti per mezzo dello scambio di gluoni. Secondo la teoria della grande unificazione l'interazione debole, la forza elettromagnetica e l'interazione forte dovrebbero essere manifestazioni diverse della stessa forza, e dovrebbe scomparire la differenza fondamentale tra quark e leptoni.

Energia atomica

Nel 1905 Albert Einstein propose, come parte della teoria della relatività speciale, la celebre equazione E=mc2 che esprime l'equivalenza tra massa ed energia. Essa associa a ogni massa m una quantità d'energia E pari al prodotto della massa per il quadrato della velocità della luce c. A causa dell'enorme valore di c, una massa molto piccola 'equivale' a una quantità di energia molto grande. Poiché più del 99% della massa di un atomo è concentrata nel nucleo, le variazioni della massa nucleare che avvengono nell'ambito delle reazioni di fissione e fusione nucleare liberano enormi quantità di energia.

Nel 1934 il fisico Enrico Fermi realizzò la prima fissione nucleare controllata, tuttavia l'esatta natura del fenomeno non venne riconosciuta fino al 1939, quando gli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann annunciarono di aver prodotto la fissione di un nucleo di uranio mediante bombardamento con neutroni. La frammentazione del nucleo è accompagnata dall'emissione di altri neutroni, che possono alimentare la reazione nucleare dando luogo a un processo a catena; ciò accade, ad esempio, durante l'esplosione di una bomba atomica. La stessa reazione, se realizzata in condizioni controllate, può invece essere usata per produrre energia.

Le reazioni di fusione termonucleare che avvengono nelle stelle, compreso il Sole, forniscono l'energia che esse irraggiano sotto forma di luce e di calore. L'esplosione di una bomba a idrogeno è un esempio di fusione nucleare non controllata. Attualmente i fisici stanno cercando di sviluppare un metodo che consenta di mantenere sotto controllo una reazione di fusione, in modo da permettere lo sfruttamento di questa forma di energia.

Molecola

La più piccola porzione di una sostanza con le stesse proprietà chimiche della sostanza stessa.

La progressiva suddivisione in piccole parti di un campione d'acqua può in teoria portare a una singola molecola; un'ulteriore rottura produce atomi di idrogeno e ossigeno isolati, caratterizzati da proprietà chimiche diverse. Un avvicinamento casuale di due molecole provoca la loro reciproca repulsione ma non una modificazione delle loro caratteristiche, al contrario uno scontro violento può alterarne la composizione come avviene durante una reazione chimica.

Le molecole sono costituite da atomi, uguali o diversi, legati da forze di natura prevalentemente elettrica; esse sono dette biatomiche o poliatomiche a seconda che il numero degli atomi che le compongono sia uguale o maggiore di due. Buona parte della ricerca chimica attuale mira alla determinazione della composizione, struttura e dimensione delle molecole.

Le molecole più semplici sono anche le più piccole; quella dell'idrogeno, ad esempio, è costituita da due soli atomi, ha diametro di circa 10-10 m e massa pari a circa 3 × 10-27 kg. Molecole più complesse possono assumere forma di catena, di anello o di elica e avere dimensioni sensibilmente maggiori.

Teoria molecolare

L'idea di considerare le molecole distinte dagli atomi fu suggerita dal fisico italiano Amedeo Avogadro, che nel 1811 formulò la legge, ora nota col suo nome. La legge di Avogadro afferma che nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole. Questa legge fornì un criterio per confrontare i pesi relativi delle molecole, permise di definire i pesi relativi degli atomi e tuttora rappresenta uno dei fondamenti della chimica moderna.

Secondo la teoria cinetica formulata da Maxwell, van der Waals e Boltzmann, le molecole sono animate da un costante moto di agitazione termica che, nel caso di molecole biatomiche e poliatomiche, include vibrazioni e rotazioni rispetto alla posizione di equilibrio. Alcune informazioni riguardanti i moti molecolari si ottengono con tecniche spettroscopiche e con misure di calore specifico. Nel 1989, per la prima volta, i fisici predirono completamente il corso di una reazione molecolare assai semplice utilizzando la teoria dei quanti.

Peso molecolare

Il peso di una molecola può essere facilmente determinato per via teorica se si conosce la struttura atomica. Ad esempio, una molecola d'acqua (H2O), composta da due atomi di idrogeno (peso atomico dell'idrogeno atomico = 1) e uno di ossigeno (peso atomico dell'ossigeno atomico = 16), ha peso molecolare pari a 18. Nella determinazione sperimentale, il peso molecolare di una sostanza si ottiene misurando il peso in grammi di una mole.