Dall’atomo di Dalton all’atomo di Bohr


LATOMO: IL COMPONENTE FONDAMENTALE DELLA MATERIA

Latomo è formato da protoni, elettroni e neutroni anche chiamate particelle subatomiche. Gli atomi dei diversi elementi sono tutti formati da queste particelle ma differiscono tra loro per il numero di queste ultime.

LA MATERIA E LELETTRICITA

Poiché due corpi. Entrambi elettrizzati, possono comportarsi in maniera diversa rispetto a un altro corpo anch’esso carico di elettricità, si può dedurre che esistono due diversi stati elettronici: positivo e negativo. Un corpo si dice di carica positiva quando ha comportamento come il vetro, di carica negativa se ha comportamento simile allambra o alla plastica. Rispetto alla trasmissione dellelettricità i corpi si dividono in conduttori, coibenti o isolanti. Corpi aventi carica elettrica opposta si attraggono, mentre due corpi aventi carica elettrica uguale si respingono. La forza con cui essi si attraggono/respingono è data dalla legge di Coulomb: . Un corpo che possiede lo stesso numero di cariche di segno opposto è elettricamente neutro. La materia in condizioni normali è elettricamente neutra, ciò vale anche per gli atomi che la compongono. Un campo di natura elettrica (o campo elettrico) è una porzione dello spazio entro la quale agiscono forze elettriche.

LE PARTICELLE SUBATOMICHE

Le particelle subatomiche posseggono ben precisi valori di massa e di carica elettrica:
• Elettrone: simbolo e- è la particella più piccola presente nell’atomo, tanto da possedere una massa quasi trascurabile ed è l’unità di carica elettrica negativa.
• Protone: simbolo p+, ha una massa più grande di quella dell’elettrone e possiede una carica elettrica uguale a quella del protone ma positiva
• Neutrone: simbolo n, è la particella priva di carica avente una massa circa uguale a quella del protone.
Un atomo contiene lo stesso numero di elettroni e protoni, essendo elettricamente neutro. I protoni e i neutroni convivono a strettissimo contatto nella parte centrale e piccolissima dell’atomo, chiamata nucleo e, insieme formano la massa dell’atomo. Essi vengono perciò detti nucleoni. Benché abbiano la stessa massa essi possono coesistere grazie alla forza nucleare. Gli elettroni invece sono dotati di grande teoria cinetica, e girano intorno al nucleo senza mai ricadervi. Numero atomico (Z): numero di protoni, e quindi di elettroni di un atomo. Numero di massa (A): numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo.

GLI ISOTOPI

Sono isotopi i nuclidi di uno stesso elemento aventi lo stesso Z e differente A. La massa atomica è calcolata come media delle masse atomiche dei vari isotopi tenuto conto numericamente della loro diffusione percentuale in natura.

LA RADIOATTIVITÀ SPONTANEA

Becquerel scoprì la radioattività spontanea di alcuni elementi. La radioattività consiste nella capacità di questi elementi. La radioattività consiste nella capacità di questi elementi di emettere spontaneamente radiazioni di tre tipi: α,β,γ. Le radiazioni α sono particelle che recano con se due cariche positive, esse sono le meno penetranti ma ionizzano facilmente i gas. Le radiazioni β sono particelle che recano con se una carica negativa. Sono infatti costituite da elettroni molto veloci. Sono più penetranti delle particelle , ma ionizzano i gas in minor misura. Le radiazioni γ sono particelle prive di carica che hanno natura ondulatoria come la luce ed hanno un potere penetrante assai elevato.

SCOPERTA DELLE PARTICELLE SUBATOMICHE

Studiando il comportamento di alcune radiazioni prima sconosciute si giunse alla scoperta degli elettroni. All’interno di un tubo di vetro collegato con una pompa a vuoto sono saldati due elettrodi metallici collegati ai due poli di un generatore di corrente continua tra i quali si stabilisce una forte differenza di potenziale. All’interno del tubo la pressione del gas presente viene pian piano ridotta fino a 10-6 atm quando sul vetro opposto al catodo si notò una fluorescenza. Si ritenne che essa fu causata dall’arrivo di radiazioni emesse dal catodo stesso che si propagavano perpendicolarmente rispetto alla sua superficie che vennero chiamati raggi catodici. I raggi catodici hanno natura corpuscolare e carica elettrica negativa e hanno sempre identiche caratteristiche di massa e carica. Si concluse che i raggi catodici sono formati da particelle con carica elettrica negativa chiamate elettroni.
Alla scoperta del protone si giunse usando un tubo a raggi catodici ma con catodo forato. Dietro al catodo si generavano delle radiazioni di movimento opposto rispetto a quello dei raggi catodici, di carica positiva vennero chiamai raggi positivi o raggi canale. Le particelle che lo formavano vennero poi in seguito chiamate protoni.
La scoperta del neutrone avvenne solo nel 1932.

I PRIMI MODELLI ATOMICI

• Nel 1904 Thomson propose il modello a panettone che ipotizzava che gli elettroni fossero dispersi in una massa elettricamente positiva in modo da determinarne l’equilibrio delle cariche.
• Rutherford all’inizio del XX secolo condusse studi approfonditi sulla radioattività e in particolare sugli effetti dell’impatto di particelle α++ su sottili lamini doro. Le particelle α positive passavano quasi tutte attraverso la lamina, in qualche caso venivano deviate con angoli superiori a 90° e praticamente nessuna veniva riflessa. Da questi studi egli ipotizzò che: poiché le particelle α++ per lo più non incontravano alcun ostacolo sul proprio cammino, l’atomo doveva essere formato prevalentemente da spazio vuoto; poiché le particelle α++ in qualche caso venivano riflesse, l’intera carica positiva doveva essere raggruppata in un nucleo; gli elettroni si dovevano muovere su orbite circolari poste a grandi distanze dal nucleo in modo da non scontrarsi con le particelle α++. Questo modello fu definito modello planetario, e si avvicina di molto al nostro tuttavia necessitava ancora di qualche puntualizzazione.

LA LUCE E LA MATERIA: LA DUPLICE NATURA DELLA LUCE

Per molti anni ci si chiese se la luce fosse corpuscolare o ondulatoria. Infatti essa possedeva le caratteristiche di entrambi gli stati. Le caratteristiche dell’onda: la lunghezza d’onda λ(distanza tra le due creste successive); l’ampiezza d’onda A (distanza dall’asse alla cresta); la frequenza v (numero di onde che passano in un dato punto in un unità di tempo); la velocità di propagazione c.

FENOMENI ONDULATORI

• Rifrazione: la rifrazione è il fenomeno per cui un raggio luminoso. Quando passa da una sostanza a un altra di densità diversa, subisce una deviazione
• Dispersione della luce: è un fenomeno legato alla natura stessa della luce bianca, e dimostra come essa sia policromatica, cioè formata da un insieme di radiazioni monocromatiche semplici aventi diversa λ e ν.
• Spettri. Gli spettri si distinguono in due tipi: gli spettri di emissione sono continui se in essi sono presenti sfumati l’uno nell’altro tutti i colori dello spettro, a righe se in essi si osservano solo righe nette colorate su sfondo nero (ogni elemento gassoso o reso gassoso ha il proprio spettro di emissione); gli spettri di assorbimento ottenuti se si interpone un gas tra la sorgente e lo spettroscopio così da poter vedere una o più righe nere su fondo colorato. Se ne conclude che tutte le sostanze assorbono radiazioni luminose della stessa λ e ν di quelle che sono in grado di emettere.
• Interferenza: se le due onde che si sovrappongono presentano i loro massimi coincidenti si sommano le onde si dicono in fase. Nelle onde luminose ciò si manifesta con una esaltazione dell’intensità luminosa. Se nelle due onde che si sovrappongono ciò non si verifica le onde si dicono fuori fase e l’effetto è l’indebolimento della luminosità in modo parziale o totale.

LA LUCE: QUANTI DI ENERGIA

Max Planck avanzò un ipotesi straordinaria secondo la quale l’energia radiante non viene emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite (discontinue), dette quanti. L’energia associata a un quanto di frequenza ν è data da E=hν, dove h è una costante chiamata costante di azione. Einstein applicò l’ipotesi di Planck per spiegare l’effetto fotoelettrico. Una lamina metallica, investita da radiazioni di frequenza sufficientemente elevata, si caricava positivamente. Ciò era dovuto all’emissione di elettroni dalla lamina. Per strappare questi elettroni occorre investire il metallo con una radiazione avente un energia E=hν almeno uguale all’energia che li trattiene. La frequenza di tale radiazione viene detta frequenza critica (ν0).

UNA RIVOLUZIONE: IL MODELLO ATOMICO DI NIELS BOHR

• I postulato: negli atomi gli elettroni normalmente non emettono onde elettromagnetiche, poiché si muovono solo lungo orbite privilegiate o stazionarie (quantizzate), caratterizzate ognuna da una ben definita quantità di energia (livelli energetici).
• II postulato: si verificano emissioni di energia, sotto forma di onde elettromagnetiche, solo quando un elettrone salta da un’orbita stazionaria a energia maggiore a un’altra di energia minore.
Per spiegare lo spettro a righe egli dedusse che a ogni atomo viene fornita una quantità di energia ben precisa che gli permette il salto su un’altra orbita. Dopo ciò, l’elettrone torna immediatamente indietro e restituisce l’energia assorbita attraverso quanti di luce di frequenza determinata.
Il modello atomico che ne deriva è rappresentato da orbite circolari concentriche attorno a un nucleo, la cui esistenza, è possibile solo se si verifica per esse la seguente condizione quantistica .

DALLATOMO AGLI IONI: LENERGIA DI IONIZZAZIONE E LAFFINITA ELETTRONICA

Gli atomi in particolari condizioni possono cedere o acquistare elettroni per raggiungere una maggiore stabilità. Quando un atomo perde elettroni si trasforma in un ione positivo, mentre quando ne acquista si trasforma in un ione negativo. Si definisce ione un atomo che non contiene protoni ed elettroni in ugual numero, e che perciò possiede una o più cariche elettriche negative o positive. Si definisce energia di ionizzazione Ei l’energia che occorre fornire a un atomo per strappargli un elettrone. Si definisce affinità elettronica Eo l’energia che un atomo libera quando associa a se un elettrone. Esistono strati, o livelli energetici di energia, nettamente separati tra loro, entro i quali trovano la loro collocazione gli elettroni componenti i rispettivi atomi.

Latomo oggi

LA DUPLICE NATURA DELLELETTRONE. LE ONDE DI MATERIA DI DE BROGLIE

L’interpretazione dell’effetto fotoelettrico e dell’effetto Comton aveva dimostrato che la luce può comportarsi oltre che come onda, anche come particella. Broglie avanzò l’ipotesi che diceva che così come vi è un comportamento corpuscolare delle onde, così deve esserci un comportamento ondulatorio delle particelle. Un elettrone in movimento possiede quindi il suo moto ondulatorio, con lunghezza d’onda data dalla relazione .

IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG

Heisenberg formulò il principio dindeterminazione nel quale sosteneva che esistono coppie di grandezze che non possono venire contemporaneamente misurate con la necessaria precisione; anzi, la precisione di una è inversamente proporzionale alla misura della seconda. Applicato all’atomo, questo principio esprime l’impossibilità di misurare congiuntamente posizione e velocità istantanea dell’elettrone.

GLI ORBITALI E I LORO NUMERI QUANTICI

Schrodinger formulò unequazione matematica che descrive il comportamento ondulatorio dell’elettrone. In essa compare la grandezza ψ detta funzione d’onda, il cui quadrato corrisponde alla densità di probabilità di trovare l’elettrone in base all’energia. Si chiamerà quindi orbitale la regione dello spazio intorno al nucleo in cui è massima la densità di probabilità di presenza dell’elettrone in base all’energia che esso possiede. A definire dimensioni, forma e orientamento di un dato orbitale concorrono 3 numeri quantici: il numero quantico principale n, che esprime il numero d’ordine del livello energetico; il numero quantico secondario l, che determina la forma dell’orbitale descritto; il numero quantico magnetico. Inoltre, per definire un elettrone occorre anche il numero quantico di spin ms che può valere solo ± . Secondo il principio di esclusione di pauli non possono coesistere due elettroni con i quattro numeri quantici uguali. Perciò una determinata orbita è descritta da solo due elettroni, i quali abbiano spin opposto.

LA VARIETA DEGLI ORBITALI

• Il numero quantico principale n corrisponde al livello energetico che un elettrone può occupare e assume valori compresi tra 1 e 7. Al crescere di n aumentano le dimensioni dell’orbitale.
• Il numero quantico secondario l indica la forma dell’orbitale. Ogni livello energetico è costituito da più sottolivelli pari a n.
• Lorbitale di tipo s ha forma sferica e può venire occupato da massimo due elettroni
• Lorbitale di tipo p ha 3 orientamenti diversi nello spazio sui 3 assi ortogonali. Questo sottolivello è saturo con 6 elettroni
• Lorbitale di tipo d ha 5 orientamenti diversi nello spazio. Questo sottolivello è saturo con 10 elettroni
• Lorbitale di tipo f ha 7 orientamenti diversi nello spazio. Questo sottolivello è saturo con 14 elettroni.
• Il numero quantico magnetico m indica il numero di orientamenti di un dato orbitale nello spazio
• Il numero quantico di spin ms indica il verso del moto dell’elettrone intorno al proprio asse.

LENERGIA DEGLI ORBITALI

A parità di tipo di orbitale, avremo per ciascuno di essi energie crescenti col crescere del livello. Tuttavia l’energia di un orbitale non dipende solo da n ma anche da l ce ne determina la forma. Orbitali di tipo diverso hanno energie diverse. A parità di livello (n) l’ordine crescente di energia è s,p,d,f. due orbitali che hanno uguale contenuto di energia si dicono isonergetici.

DISTRIBUZIONE ELETTRONICA NEGLI ATOMI DEGLI ELEMENTI. COSTRUZIONE PROGRESSIVA DEGLI ATOMI

Un atomo è completamente descritto quando se ne conosce la sua formula elettronica, cioè la distribuzione dei suoi Z elettroni nei livelli e sottolivelli energetici. Si definisco no elementi di transizione quelli che presentano un sottolivello in via di completamento.

di Elena