MODELLI ATOMICI: da Dalton a Schrödinger

CLASSI PRIME

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE «ITALO CALVINO»

GENOVA SESTRI PONENTE

Prof. GIOVANNI CUTOLO CHIMICA

«Se potessimo suddividere un pezzo di ferro in due parti, poi in due parti ancora e così via

fino a ottenere porzioni impalpabili di materia, ci accorgeremmo a un dato punto di non

poter procedere oltre. Arriveremmo fatalmente a un limite, rappresentato dall'unità-ferro

che non si potrà mai suddividere ancora, perché ogni tipo di sostanza è necessariamente

costituita dalla somma delle sue unità elementari.»

Democrito, V sec. a.c.

EVOLUZIONE DEI MODELLI ATOMICI

TEORIA ATOMICA DI DALTON

DALTON, NEL 1803, INIZIA A ELABORARE LA PRIMA TEORIA ATOMICA CHE SI

BASA SUI SEGUENTI PUNTI:

1. La materia è fatta di piccolissimi atomi, che sono indivisibili e

indistruttibili

2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa

massa

3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri

elementi

4. Gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi

di altri elementi

5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono

interi da un composto all’altro

La teoria atomica di Dalton concorda perfettamente con la legge di

conservazione della massa, con la legge delle proporzioni definite e infine

con la legge delle proporzioni multiple.

STUDI SULLE CARICHE ELETTRICHE

L’ indagine sulla natura della carica elettrica inizia con

Benjamin Franklin (1706-1790) a metà del settecento.

E’ poi l’invenzione della pila di Alessandro Volta (1745-1827)

che rende evidente il collegamento tra forze chimiche e cariche

elettriche.

Alla fine dell’Ottocento gli studi condotti osservando gli effetti

di una scarica elettrica in un tubo di vetro (tubo di Crookes),

contenente gas a bassa pressione, permettono di arrivare a

un’idea più precisa della relazione tra atomo e carica elettrica.

RAGGI CATODICI IN TUBI DI VETRO

Se si riduce la pressione del gas, grazie al collegamento alla pompa del vuoto, si

diffonde una luce colorata, nel caso del neon rossastra. Se però la pressione

scende a valori di un milionesimo di atmosfera, non si ha più emissione di luce e

le radiazioni provenienti dal catodo (raggi catodici) producono una luminosità in

fondo al tubo.

J. Thomson (1856-1940) utilizza un tubo di Crookes (1832-1919) per studiare l’effetto

di un campo magnetico e di un ostacolo sui raggi catodici e riesce a dimostrare che la

radiazione emessa dal catodo consiste di particelle cariche negativamente, a cui

assegna il nome di elettroni.

TUBO DI CROOKES: ESPERIMENTO DI THOMSON

Gli elettroni sono particelle «portatrici di elettricità» che non

cambiano al variare del metallo che costituisce il catodo o del

gas nel tubo, e sono quindi uguali per gli atomi di tutti gli

elementi.

La scoperta di Thomson obbliga a pensare che l’atomo non sia

indivisibile, come affermato da Dalton, e che debbano esistere

particelle più piccole (particelle subatomiche) che lo

costituiscono.

Oltre agli elettroni negativi, ci devono essere anche particelle

cariche positivamente, poiché l’atomo nel suo complesso è

neutro.

TUBO DI CROOKES: ESPERIMENTO DI THOMSON

TUBO DI GOLDSTEIN E RAGGI ANODICI

Altri esperimenti condotti dal fisico tedesco Goldstein (1850-1930), in tubi di

vetro simili a quello di Crookes ma dotati di un catodo forato, permettono di

identificare altre particelle che si muovono verso il polo negativo formando

un fascio di raggi anodici.

Si tratta quindi di particelle con carica positiva che provengono dal gas

rarefatto contenuto nel tubo e non dalla placca metallica. In questo caso le

masse delle particelle sono diverse a seconda del gas contenuto nel tubo e

quando il gas è idrogeno si registra la massa più piccola. Le masse delle altre

particelle positive sono multipli interi della massa dell’idrogeno.

SCOPERTA DEL PROTONE (PARTICELLA CON

CARICA POSITIVA) E DEL NEUTRONE

LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELL’ATOMO

LE PARTICELLE FONDAMENTALI DELL’ATOMO

MODELLO A «PANETTONE» DI THOMSON

In questo modello,

l'atomo è costituito da

una distribuzione

di carica positiva

diffusa all'interno della

quale sono inserite le

cariche negative.

Nel complesso l'atomo

è elettricamente

neutro. Secondo

questo modello l'atomo

dunque sarebbe

sostanzialmente pieno.

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD

La scoperta del nucleo atomico di Rutherford

Secondo il modello di Thomson le particelle

alfa (cariche positive) avrebbero dovuto

attraversare la lamina d'oro venendo deflesse

al più di pochi gradi. Misurando la deflessione

delle particelle si potevano ricavare

informazioni sulla distribuzione di carica

elettrica all'interno dell'atomo. Tuttavia

venne osservato che alcune particelle

(1/8000) venivano riflesse ad angoli anche

maggiori di 90°.

L’ipotesi di Rutherford fu che l’atomo doveva

essere costituito da una zona centrale di

materia estremamente densa nonché carica,

in grado di interrompere il decorso delle

grandi particelle alfa, e addirittura in grado

di farle rimbalzare.

L’ATOMO DI RUTHERFORDGrazie a questo esperimento Rutherford è giunto alla conclusione che al centro dell’atomo vi

fosse un nucleo denso e carico positivamente, che intorno ad esso ruotassero elettroni carichi

negativamente in numero tale da neutralizzare la carica positiva e che tra il nucleo e gli

elettroni ci fosse spazio vuoto.

Questo modello non fu accettato completamente dalla comunità scientifica in quanto entrava

in contrasto con la fisica classica secondo cui una particella carica accelerata emette energia

sotto forma di radiazione elettromagnetica, perdendo energia. Gli elettroni che ruotano

attorno al nucleo centrale perderebbero energia fino ad annichilire, ossia a collassare sul

nucleo.

IL MODELLO «PLANETARIO» DI BOHR

IPOTESI FONDAMENTALI:

1) nell’atomo gli elettroni

ruotano intorno al nucleo in

determinate orbite circolari,

chiamate orbite stazionarie.

2) finchè un elettrone rimane

nella sua orbita, non emette

e non assorbe energia.

DALL’ORBITA ALL’ORBITALE ATOMICO: IL MODELLO DI SCHRÖDINGER

Mentre il modello atomico di

Bohr considerava che gli

elettroni si muovessero intorno

al nucleo secondo orbite

circolari, il modello atomico di

Schrödinger definisce le

regioni dello spazio intorno al

nucleo in cui è massima

(almeno il 90%) la densità di

probabilità di trovare

l'elettrone. Tali regioni furono

chiamate orbitali. L'orbitale

non è un contenitore all'interno

del quale si muove l'elettrone,

ma solo la zona in cui è

probabile trovarlo.

FINE