I primi modelli atomici
La nascita del termine "atomo"
Tra il 400 e il 300 a.C. il filosofo Democrito, e il suo maestro Leucippofondarono l'atomismo, una delle teorie più "scientifiche" dell'antichità.
atomi indivisibilivuoto
Le leggi fondamentali della chimica
Tra il 18° e il 19° secolo, gli scienziati Lavoisier, Proust e Daltonenunciarono le 3 leggi ponderali,
che furono alla base della prima teoria atomica.
Antoine Lavoisier(1743-1794)
Joseph Proust(1754-1826)
John Dalton(1766-1844)
la teoria atomica di Dalton (1803)
idrogeno(H)
carbonio(C)
ossigeno(O)
la teoria atomica di Dalton (1803)
C + O CO
C + O + O CO2
Gli studi sull'elettricità
Diversi esperimenti hanno domostratoun rapporto tra materia ed elettricità.
Talete(640 a.C./625 a.C. -548 a.C./545 a.C.)
Benjamin Franklin(1706-1790)
Alessandro Volta(1745-1827)
la carica elettrica
+ -F = k Q1 ⋅ Q2
d2legge di Coulomb
+ +
- -
F
F
F
carica di un corpo
corpo neutro
+
-
+
-
+
+-
+
--
corpo caricopositivamente
corpo cariconegativamente
relazione tra elettricità e materia
le forze tra gli atomi sono di natura elettrica
negli atomi ci sono particelle dotate di carica
l'atomo non è più una entità elementare e indivisibile
la carica elettrica
++ +- + - - -
La scoperta dell'elettrone
William Crookes(1832-1919)
Joseph Thomson(1856-1940)
Robert Millikan(1868-1953)
Tramite una serie di esperimenti effettuati sui gas rarefattisi è giunti alla scoperta degli elettroni.
il tubo di Crookes
catodo (-)
anodo (+)
gas rarefatto
raggi catodici
gli esperimenti di Crookes (I)
I raggi catodici:viaggiano in linea retta
non attraversano materiali solidi
gli esperimenti di Crookes (II)
i raggi catodici hanno una natura corpuscolare
(sono dotati di massa)
gli esperimenti di Crookes (III)
i raggi catodicihanno carica elettrica negativa.
+ + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
catodo (-) anodo (+)
gli elettroni
I raggi catodici:
• viaggiano in linea retta
• hanno una massa, ovvero sono costituiti da particelle
• sono carichi negativamente
• non dipendono dal tipo di gas utilizzato: tutte le sostanze si comportano nello stesso modo
Le particelleche costituivano i raggi catodicifurono chiamate elettroni.Essi sono presenti
in tutta la materia.
carica e massa degli elettroni
Nel 1897, Joseph Thomson determinò il valore del rapporto tra la carica e la massa dell'elettrone.
Nel 1909, Robert Millikan determinòla carica dell'elettrone.
Essendo la minima quantità di carica esistente, è detta carica elementare.
Fu così possibile calcolare anchela massa dell'elettrone.
L'elettrone è la particella subatomica che possiede la più piccola massa e la più piccola quantità di carica elettrica esistente.
= 1,76 ⋅ 108 C/ge
me
e = -1,6 ⋅ 10-19 C(per convenzione si indica con -1)
me = = 9,1 ⋅ 10-31 kg e
1,76 ⋅ 108
La scoperta del protone
Joseph Thomson(1856-1940)
Wilhelm Wien(1864-1928)
Eugen Goldstein(1850-1930)
Alcuni nuovi esperimenti effettuati sui gas rarefattipermisero di identificare i protoni.
catodoforato (-)
anodo (+)
raggi catodici
l'esperimento di Goldstein
raggi anodici(o raggi canale)
la natura dei raggi anodici
Wien e Thomson impiegarono circa 20 anni di ricerche per capire che:
• i raggi canale erano costituiti da particelle con carica elettrica positiva
• il rapporto tra carica e massa di ogni particella dipendeva dal tipo di gas presente nel tubo
• la massa delle particelle era molto maggiore di quella degli elettroni e assumeva il valore più piccolo se il gas nel tubo era idrogeno
• se nel tubo vi erano altri gas, la massa delle loro particelle era sempre un multiplo della massa misurata per l'idrogeno
3. i cationi passano dai buchi e continuano verso il fondo del tubo
la natura dei raggi anodici
catodoforato (-)
raggi catodici (elettroni)
1. i raggi emessi dal catodo colpiscono gli atomi di gas presenti nel tubo facendogli perdere elettroni
2. gli atomi caricati positivamente (cationi) vanno verso il catodo (che è negativo)raggi anodici
i protoni
• hanno carica uguale a quella dell'elettrone, ma di segno opposto
carica = 1,6 ⋅ 10-19 C(per convenzione si indica con +1)
• hanno una massa che è 1836 volte maggiore di quella degli elettroni e che equivale a 1 u (1 unità di massa atomica)
massa = 1,6723 ⋅ 10-24 g
• furono definitivamente individuati nel 1914 e sono le particelle più piccole aventi carica positiva
modello a panettone(plum pudding)
il modello atomico di Thomson (1903)
l'atomo è una sfera con diametrodell'ordine di 10-10 m
la carica positiva(e la massa dell'atomo)è distribuita omogeneamente
gli elettronibilanciano la carica positiva(l'atomo è neutro)
La scoperta del nucleo atomico
Nel 1911, Rutherford, Geiger e Marsdenscoprono l’esistenza del nucleo atomico.
-
- -
--
-
++++++
Hans Geiger(1882-1945)
Ernest Rutherford(1871-1937)
Ernest Marsden(1889-1970)
l'esperimento di Geiger e Marsden (1911)
sorgentedi particelle
alpha (α)
lamina d'orosottilissima
(foglio) schermo per la rilevazione delle
particelle α
particelle α:• massa 4 volte quella
dell'idrogeno• doppia carica
positiva (+2)
interpretazioneosse
rvaz
ione
i risultati di Geiger e Marsden
1. la maggior parte dei raggi α oltrepassa la sottile lamina d'oro indisturbata
1. l'atomo è costituito soprattutto da spazio vuoto
2. alcuni raggi α vengono deviati dalla lamina d'oro
2. la carica positiva dell'atomo è molto concentrata
+
3. pochissimi raggi α vengono respinti dalla lamina d'oro
3. la carica positiva occupa uno spazio piccolissimo,il nucleo diametro atomo = 10-10 m
diametro nucleo = 10-15 m
++
+++++ +
modello planetario
il modello atomico di Rutherford
nel nucleo si concentrano i protoni(e quindi la carica positiva e la maggior parte della massa)
il nucleo è 100.000 voltepiù piccolo dell’atomo
gli elettroni occupano lo spazio vuoto attorno al nucleo e girano come i pianeti attorno al Sole
È il numero di protoni contenuti nel nucleo di un atomo;è diverso per ogni elemento.
In un atomo neutro corrisponde anche al numero di elettroni presenti.
H1idrogeno, z = 1 1 protone, 1 elettrone
He2elio, z = 2 2 protoni, 2 elettroni
C6carbonio, z = 6 6 protoni, 6 elettroni
il numero atomico (Z)
La scoperta dei neutroni
Nel 1932 un allievo di Rutherford, James Chadwich,confermò l’esistenza dei neutroni.
James Chadwick(1891-1974)
i neutroni
Per molti elementi, la massa atomica è circa il doppiodi quella che ci si aspetterebbe se ci fossero solo i protoni.
Chadwick bombardò un foglio di berillio con particelle α e si accorse che venivano emesse particelle che non erano deviate da campi elettrici o magnetici: erano quindi prive di carica.
massa del neutrone = 1,6745 ⋅ 10-24 g ≃ massa del protonecarica del neutrone = 0
I neutroni si trovano nel nucleo, assieme ai protoni.
Il numero totale di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un atomo èchiamato numero di massa: si indica con la lettera A.
Atomi di uno stesso elemento hanno sempre lo stesso numero Z,ma possono avere differenti numeri A.
H1 z = 1 A = 1 1 protone, 0 neutroni, 1 elettrone
Atomi che hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi.
Gli isotopi hanno le stesse proprietà chimiche, ma diverse proprietà fisiche.
1idrogeno
H2z = 1 A = 2 1 protone, 1 neutrone, 1 elettrone1deuterio
H3z = 1 A = 3 1 protone, 2 neutroni, 1 elettrone1trizio
il numero di massa
la massa atomica relativa tiene conto dell'abbondanza isotopica
L'abbondanza isotopica è la percentuale di un isotopopresente in un campione di un elemento chimico.
La massa atomica relativa (Ar) riportata sulla tavola periodicaderiva dalla media ponderata delle masse dei diversi isotopi.
isotopi massa atomica relativa (Ar)
abbondanza isotopica
35Cl 34,97 75,7%37Cl 36,97 24,3%
Ar(Cl) = = 35,45(34,97 ⋅ 75,7) + (36,97 ⋅ 24,3) 100 numero riportato
sulla tavola periodica
Particellasubatomica Simbolo Carica
elettrica (C)Carica
relativaMassa
(kg)Massa
relativa Posizione
elettrone e- -1,6 ⋅ 10-19 -1 9,11 ⋅ 10-31 1/1836 intorno al nucleo
protone p+ +1,6 ⋅ 10-19 +1 1,67 ⋅ 10-27 1 nelnucleo
neutrone n0 0 0 1,67 ⋅ 10-27 1 nelnucleo
nucleoni
le particelle subatomiche: riepilogo