Gli atomi e particelle subatomiche

GLI ATOMI E PARTICELLE SUBATOMICHE

Già il filosofo e matematico Talete (VII sec. a.C.) aveva notato come una bacchetta di ambra opportunamente strofinata, acquisisse la proprietà di attirare a se capelli o peli di animali.

L'impulso allo studio delle proprietà elettriche fu dato dalle ricerche di A. Volta (1745-1827), di W. Nicholson (1753-1815) e da A. Carlisle (1768-1840)

Volta, con l'invenzione della pila, dimostrò che è possibile produrre corrente elettrica attraverso reazioni chimiche e secondo Nicholson e Carlisle era possibile anche il processo inverso.

Immersero in una soluzione diluita di acido solforico due lamine sottili di platino (elettrodi) collegati con una batteria a pile.

l'elettrodo collegato con il polo negativo prese il nome catodo

quello collegato al polo positivo prese il nome anodo

Il passaggio di corrente permise la formazione di due gas:

ossigeno all'anodo

idrogeno al catodo

ELETTROLISI (decomposizione elettronica)

In questo modo Davy individuò sei nuovi elementi: potassio, sodio, calcio, stronzio, bario, magnesio.

Per poter spiegare la conducibilità dei corpi si arrivò a ipotizzare la presenza di cariche elettriche mobili e la presenza di particelle cariche elettricamente che componessero l'atomo.

PROPRIETÀ DELLA CARICA ELETTRICA

Un corpo è elettricamente carico quando, sottoposto a strofinamento, acquista la proprietà di attirare altri corpi di piccole dimensioni

Esistono due tipi di carica elettrica, denominati convenzionalmente negativa e positiva

Cariche di segno uguale si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. Le particelle cariche vengono dette ioni.

L'intensità della forza F di attrazione o di repulsione tra due cariche elettriche è direttamente proporzionale al prodotto dei loro valori e inversamente proporzionali al quadrato del valore della loro distanza (legge di Coloumb). Esiste poi una costante che rappresenta la materia che divide le cariche.

Le cariche elettriche possono passare da un corpo a un altro

Un corpo è elettricamente neutro quando possiede un medesimo numero di cariche positive e di cariche negative.

PARTICELLE SUBATOMICHE

Stoney fu il primo scienziato che cercò di estendere all'atomo le conoscenze sulla natura elettrica della materia e ipotizzò la presenza di una particella elementare negativa, l'elettrone.

Successivamente il fisico Thomson provo sperimentalmente l'esistenza dell'elettrone (1897)

Il fisico inglese Crookes:

inventò un dispositivo (tubo di Crookes) che permise lo studio del comportamento dei gas rarefatti sottoposti a passaggio di una corrente elettrica.

Notò che applicando una forte differenza di potenziale tra gli elettrodi del tubo e riducendo la pressione del gas in esso contenuto a 0,001 atm., si verificava l'emissione di raggi luminosi di colore caratteristico a seconda del tipo di gas che vennero nominati raggi catodici.

Grazie alle ricerche di successivi scienziati tra cui Thomson si arrivò alle seguenti CONCLUSIONI:

l'emissione di raggi catodici è una proprietà della materia.

i raggi catodici hanno traiettoria rettilinea

la traiettoria dei raggi catodici può essere modificata dall'azione di un campo magnetico o elettrico

i raggi catodici hanno una natura corpuscolare

i raggi catodici provocavano reazioni chimiche simili a quelle prodotte dalla luce

i raggi catodici sono costituiti da particelle fondamentali dotate di carica negativa presenti negli atomi di tutti gli elementi

Il fisico statunitense Millikan trovò il valore della carica dell'elettrone

carica elettrone = 1,6022 10^-19 C

La carica dell'elettrone risultava essere la più piccola fino ad allora determinata e venne considerata carica elettrica elementare. Le si attribuì il valore unitario -1.

L'elettrone è quindi una particella subatomica caratterizzata da carica elettrica negativa unitaria e da massa trascurabile pari a 1/1836 uma

PROTONI

Nel 1914 attraverso il tubo di Crookes opportunamente modificato, Goldstein provò l'esistenza dei protoni trovando dei raggi che si muovevano dall'anodo verso il catodo. Questi furono denominati raggi anodici o canale.

La masse dei protoni variava però a seconda del tipo di gas presente nel tubo.

Il protone è una particella subatomica caratterizzata da carica elettrica unitaria positiva e da massa pari a 1 uma.

IL NEUTRONE

Si osservò che la massa di un atomo era maggiore di quello che si sarebbe ottenuto sommando la massa degli elettroni e dei protoni e che atomi di un medesimo elemento potevano presentare valori di massa differenti e si ipotizzò la presenza di una terza particella.

Nel 1932 Chadwick bombardò con particelle a, emesse da una sorgente radioattiva, una sottile lamina di berillio e registrò un'emissione di particelle prive di carica, i neutroni, aventi m pari 1 uma

MODELLI ATOMICI

Thomson L'atomo è rappresentabile come una sfera carica di elettricità positiva nel cui interno sono immersi gli elettroni.

Spiegò:

gli ioni positivi come atomi che avevano perduto elettroni

gli ioni negativi come atomi che aveva acquisito elettroni.

Rutherford allievo di Thomson pensò di applicare il fenomeno della radioattività naturale

alcuni elementi quali uranio, radio e polonio, manifestavano la proprietà di emettere spontaneamente radiazioni:

Raggi a : presentano carica positiva doppia rispetto a quella dell'elettrone e una massa di circa 7000 volte maggiore.

Raggi b :sono costituiti da elettroni e hanno una capacità di penetrazione maggiore dei raggi a

Raggi g : sono radiazioni elettromagnetiche prive di carica, dotata di elevatissima capacità di penetrazione. Il loro movimento non è influenzato dalla presenza di un campo elettrico.

Attraverso l'utilizzo dei raggi a, Rutherford concluse che:

nell'atomo dovesse esistere un nucleo dotato di carica elettrica positiva in cui si concentrava quasi tutta la massa dell'atomo.

Gli elettroni si trovavano in uno spazio circostante il nucleo in una zona supposta circolare.

lo spazio racchiuso dell'atomo era prevalentemente vuoto

La forza centrifuga generata dal moto di rotazione degli elettroni, avrebbe bilanciato la forza di attrazione elettrostatica esercitata su di essi, caricati negativamente, dal nucleo, caricato positivamente.

Però questo modello atomico non teneva conto del fatto che l'elettrone, ruotando intorno al nucleo, irradia continuamente energia e, pertanto, la sua orbita avrebbe dovuto restringersi fino alla caduta dell'elettrone sul nucleo stesso.

Nel 1912-1913 il fisico Bohr

rielaborò il modello di Rutherford secondo il postulato per cui: un elettrone, finché ruota nella sua orbita, non perde energia per irradiazione.

introdusse il concetto di quantizzazione di energia.

Nel 1900 il fisico tedesco Planck aveva dimostrato che:

l'energia va pensata come formata da unità minime fondamentali, denominati quanti

QUINDI UN ATOMO

è costituito da due sottostrutture fondamentali: il nucleo con neutroni e protoni e gli elettroni che orbitano intorno ad esso

in esso il numero di elettroni e protoni è uguale, infatti l'atomo è elettricamente neutro.

le particelle presenti nel nucleo sono formate da particelle più piccole, i quark

il numero atomico è il numero dei protoni presenti nel nucleo di un atomo

il numero di massa è formato dalla somma dei protoni e dei neutroni presenti in un atomo. Corrisponde approssimativamente alla massa atomica dell'elemento

atomi rappresentati con le caratteristiche del nucleo (vedi Pag. 228) vengono detti nuclidi.

l'idrogeno non presenta neutroni

gli isotopi sono atomi di un medesimo elemento che possiedono lo stesso numero di elettroni e di protoni, ma un numero differente di neutroni nel nucleo, per cui sono caratterizzati

dal medesimo numero atomico

ma da un differente numero di massa.

Gli isotopi principali sono

il carbonio-12, carbonio-13 e il carbonio-14

idrogeno-1 p prozio, idrogeno-2 o deuterio, idrogeno-3 o trizio