Struttura dell’atomo

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Struttura dell’atomo


I primi a parlare di “atomi” furono i greci ed in particolar modo Democrito. Egli affermava che l’atomo fosse una particella indivisibile; la parola atomo. Infatti, introdotta da Leucippo deriva dal greco “átomos” e significa indivisibile. Successivamente i fisici hanno scoperto che l’atomo è costituito in realtà da oltre cento particelle subatomiche: di conseguenza l’atomo non è indivisibile e non è la particella più piccola della materia.

Questo fu dimostrato tramite

I raggi catodici La radioattività

L’atomo è divisibile


Si propagano in linea retta Sono costituiti da qualcosaDotato di massa

Sono costituiti da qualcosaDotato di carica negativa

Se si mette una croce di MaltaSulla traiettoria dei raggi, sulVetro del tubo si stagliaL’ombra netta della croce.

Ombra netta si forma soloCon raggi che si propaganoIn linea retta.

Se si mette sulla traiettoriaDei raggi un mulinello a paleQuesto incomincia a girare Colpito dai raggi.

I raggi sono quindi costituitiDa “entità” dotate di massa.

Se si pongono due piastreCariche elettricamente diSegno opposto, il fascio diRaggi devia da suo percorso.

Dal momento che vengonoAttratti dalla piastra positivaE respinti da quella negativa,I raggi sono costituiti da Particelle cariche negativamente.


αγβ

-+

In natura esistono elementi capaci di emettere spontaneamente radiazioni.Gli esperimenti effettuati su tali elementi (ad esempio il radio) mostrarono cheLe radiazioni emesse dalle sostanze radioattive sono di 3 tipi. Per distinguerle èSufficiente far passare un fascio di radiazioni attraverso un forte campo magnetico.

• Raggi α (alfa): costituiti da particelle con carica positiva

• Raggi β (beta): costituiti da particelle con carica negativa

• Raggi γ (gamma): costituiti da particelle con carica neutra


Queste scoperte cambiarono radicalmente l’immagine dell’atomo, perché:

• ESISTONO PARTICELLE PIU’ PICCOLE DELL’ATOMO

• ALCUNI ATOMI POSSONO EMETTERE PARTICELLE

• LE PARTICELLE EMESSE SONO DOTATE DI CARICA ELETTRICA

Inoltre, dato che l’atomo è normalmente neutro, è evidente che, All’interno dell’atomo, cariche positive e negative devono bilanciarsi.

Perciò l’atomo non è il più piccolo costituente della materia

Ciò dimostra che l’elettricità è una caratteristica della materia

Ciò dimostra che gli atomi contengono particelle più piccole al loro interno, quindi hanno una struttura complessa

Nuove immagini sull’atomo


Stabilito che l’atomo è costituito da particellePiù piccole si poneva il problema di come Fossero organizzate queste particelle.

Per questo motivoNascono i primi

MODELLO DI THOMSON MODELLO DI RUTHERFORD

MODELLO DI BOHR MODELLO DI SCHRODINGER

18991899 19111911

19131913 19251925

I modelli atomici


Questa tabella riassume il processo evolutivo avvenuto nello studio dei modelliAtomici. Ora prenderemo in esame ciascuno di questi.

Il primo modello proposto, quello di Thomson , prevedeva che gli elettroni fossero distribuiti uniformemente in una sfera positivamente carica. Rutherford comprese invece che la carica positiva doveva essere concentrata al centro dell’atomo (nel nucleo), e gli elettroni orbitare nello spazio circostante. Bhor andò oltre, introducendo il concetto di quantizzazione delle orbite elettroniche; Schrodinger, infine, rivoluzionò l’idea di orbita elettronica intendendola non più come la traiettoria fisicamente percorsa dall’elettrone, ma come regione dello spazio che possiede la più alta probabilità di essere occupata dall’elettrone.


Thomsom, basandosi su una vecchia idea di Lord Kevin, ipotizzò che l’atomo avesse una struttura omogenea, con la massa e la carica positiva distribuiteomogeneamente in tutto lo spazio dell’atomo, e gli elettroni inserite all’internocome particelle individuali distribuite in modo uniforme.

Questo modello non fu però ritenuto valido dalle prove sperimentali condotteDa Rutherford, Geiger e Marsden.


Ernest Rutherford compì esperimenti di diffusione di particelle α su atomi di oroe concluse che in un atomo la carica positiva e quella negativa non possonoessere distribuite in modo uniforme, come previsto dal modello di Thomson. Egli propose quindi che la carica positiva, come la maggior parte della massa, si troviconcentrata in uno spazio ridotto al centro dell’atomo (il nucleo) e che gli elettronivi ruotino intorno come i pianeti intorno al sole.


L’atomo è costituito da un nucleo, nel quale sono concentrate la masse e la carica positiva, e dagli elettroni che si trovano intorno al nucleo e occupano la quasi totalità del volume dell’atomo

PARTICELLE CARICAIn unità di e

MASSAIn u.m.a.

Protoni + 1 1

Neutroni 0 1

Elettroni - 1 1/1823

L’atomo del modello planetario


Le Dimensioni degli Atomi

• Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m.• Il nucleo ha un diametro di circa 10-15 m.• Se il nucleo fosse delle dimensioni di una mosca e

stesse al centro del cerchio di centrocampo, gli elettroni starebbero in Curva Nord.

• Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli oggetti si contrarrebbero di 105 volte conservando la stessa massa.

• L’Everest diventerebbe una montagna alta 8 cm.


NUMERO ATOMICO: Il numero dei protoni, uguale a quello degli elettroni, èChiamato numero atomico ( Z ). Questo numero è caratteristico di ogni elementoE viene scritto in basso a sinistra del simbolo chimico.

7N Z = Numero atomico

NUMERO DI MASSA: Il numero di massa ( A ) è uguale alla somma dei protoniE dei neutroni contenuti nel nucleo. Viene scritto in alto a sinistra del simboloChimico.

12C A = Numero di massa

A = protoni + neutroni

Numero atomico e numero di massa


Isotopi

• Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono un numero di neutroni differente. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero atomico (Z) ma differente numero di massa (A). Esempio: 12C, 13C e 14C sono tutti e tre isotopi del carbonio.

• Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse proprietà chimiche.


La forma isotopica più abbondante dell'idrogeno (prozio) è costituita da un solo protone intorno al quale orbita un unico elettrone. Ne esistono però altre due: il deuterio, che ha un neutrone nel nucleo, e il trizio, che ne ha due.

Isotopi dell’idrogeno


ELEMENTI RADIOATTIVI ELEMENTI RADIOATTIVI

• RADIOATTIVITA’: fenomeno attraverso il quale alcuni

elementi con nuclei instabili emettono radiazioni,

trasformandosi in un nucleo di un elemento diverso,

stabile (processo di DECADIMENTO RADIOATTIVO ).

• Tutti gli elementi naturali con numero atomico

superiore a 83 sono radioattivi (anche alcuni isotopi

con Z inferiore)


1. Radiazioni formate da nuclei di elio (2

protoni e 2 elettroni)

2. Radiazioni formate da positroni ad

elevata E

3. Radiazioni - formate da elettroni ad

elevata E

4. Radiazioni elettromagnetiche ad alta E

Il decadimento radioattivo può avvenire per emissione di radiazioni di 4 tipi:

IL DECADIMENTO RADIOATTIVOIL DECADIMENTO RADIOATTIVO


IL DECADIMENTO RADIOATTIVOIL DECADIMENTO RADIOATTIVO


IL TEMPO di DIMEZZAMENTOIL TEMPO di DIMEZZAMENTO

Il tempo richiesto perché metà di un campione radioattivo decada viene detto vita media. Il carbonio 14, per esempio, usato per determinare l'età di materia una volta organica (vivente), ha una vita media di 5730 anni. In tal modo se in origine in un osso ci fosse stato una quantità x di carbonio 14, 5730 anni dopo ce ne sarebbe solo x/2, e dopo altri 5730 anni ne rimarrebbe x/4, e ancora, dopo altri 5730 anni ne rimarrebbe x/8 e così via.


Stabilità dei Nuclei


Energia NucleareEnergia Nucleare

La curva indica che, per elementi più leggeri del Fe, andando da nuclei leggeri verso nuclei più pesanti il difetto di massa aumenta.

Un aumento si nota anche, per elementi più pesanti di Fe, se si trasformassero nuclei più pesanti in nuclei più leggeri.

Si possono, pertanto, ipotizzare due processi


Fusione Nucleare

21H + 2

1H 42He

Massa 42He - 2 x Massa 2

1H = 0,03037 uma


Fissione Nucleare

23592U +1

0n 9035Br + 143

57La + 3 10n

Energia liberata ==> 1,8x1013 J per mole di U


Fissione nucleare

Il nucleo atomico usato a questo scopo è l’Uranio 235 che è particolarmente instabile. Contro un nucleo di uranio, viene sparato un neutrone. Colpito dal neutrone, il nucleo si scinde in due nuclei più piccoli, il cripto, il bario e due o tre neutroni. La massa dei prodotti di fissione, cioè i due nuclei più piccoli e i due o tre neutroni, non è uguale a quella dell’atomo originale: una parte della massa si è trasformata in energia. I neutroni emessi bombardano altri atomi di uranio con lo stesso risultato precedente . Si ha così una reazione a catena che se incontrollata è esplosiva come nella bomba atomica. Nel reattore nucleare la reazione a catena viene rallentata; l’energia prodotta viene convertita in altre forme di energia ( termica, elettrica ecc.). Come prodotto di rifiuto si hanno le scorie nucleari, atomi radioattivi che impiegano 4 miliardi di anni per diventare stabili.


L’elettrone è “inafferrabile”

Le ricerche sulla meccanica quantistica del ventesimo secolo hanno portato a superare l’idea di concepire l’elettrone come una particella in movimento su traiettorie intorno al nucleo

La teoria della meccanica quantistica descrive i sistemi come una sovrapposizione di stati diversi e prevede che il risultato di una misurazione non sia completamente arbitrario, ma sia incluso in un insieme di possibili valori: ciascuno di detti valori è abbinato a uno di tali stati ed è associato a una certa probabilità di presentarsi come risultato della misurazione


Orbitali

La meccanica quantistica prevede che non sia possibile associare contemporaneamente ad una particella una posizione ed una quantità di moto ben definita (Principio di Indeterminazione di Heisenberg).

Il concetto di orbita di un elettrone è sostituito da quello di orbitale, di traiettoria entro la quale è massima la probabilità di trovare una particella


Orbitale atomicoun orbitale atomico viene approssimato con quella regione di spazio attorno

al nucleo atomico in cui la probabilità di trovare un elettrone è massima (massima densità di probabilità) ed è delimitata da una superficie


La configurazione elettronicaOgni orbitale può contenere al massimo due elettroni. Gli orbitali vengono

riempiti partendo da quelli ad energia minima (stato fondamentale) e riempiendo, via via, quelli ad energia superiore; se sono presenti degli orbitali degeneri (ovvero diverse distribuzioni spaziali a parità di livello energetico, come ad esempio i tre orbitali p) gli elettroni si distribuiscono preferenzialmente in modo da occuparne il maggior numero.

La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici costituisce la configurazione elettronica di un atomo, dalla quale dipendono la reattività, la valenza e la geometria delle molecole che questi va a comporre.


Livelli energetici e configurazione elettronica

ESEMPI

idrogeno: 1 elettrone nell'orbitale 1s -> 1s1 con un elettrone spaiato, è in grado di formare un legame semplice con gli altri atomi

elio: 2 elettroni nell'orbitale 1s -> 1s2 non ha elettroni spaiati, non è in grado di formare legami con gli altri atomi

azoto: 2 elettroni nell'orbitale 1s, 2 nel 2s, 3 nel 2p -> 1s2 2s2 2p3 con tre elettroni spaiati - uno in ogni orbitale 2p - è in grado di formare tre legami (ammoniaca: NH3)

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