lezione 19: la struttura atomica della materia

questo link riporta nelle prime pagine in modo abbastanza semplice le nozioni più rilevanti sulla struttura atomica della materia.

Il modello “planetario”

Nel 1911 Rutherford fece un esperimento cruciale: bombardò un sottilissimo foglio di oro, posto fra una sorgente di particelle alfa e uno schermo. Le particelle, attraversando la lamina, lasciarono una traccia del loro passaggio sullo schermo. L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non venivano quasi mai deviati; solo l'1% dei raggi incidenti era deviato considerevolmente dal foglio di oro (alcuni venivano completamente respinti).
Attraverso questo esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotano attorno così come i pianeti ruotano attorno al Sole (modello planetario).[7]

L'atomo era dunque largamente composto da spazio vuoto, e questo spiegava il perché del passaggio della maggior parte delle particelle alfa attraverso la lamina. Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relativamente enormi, aventi un diametro da 10.000 a 100.000 volte maggiore di quello del nucleo. Rutherford intuì che i protoni da soli non bastavano a giustificare tutta la massa del nucleo e formulò l'ipotesi dell'esistenza di altre particelle, che contribuissero a formare l'intera massa del nucleo. Nel modello atomico di Rutherford non compaiono i neutroni, perché queste particelle furono successivamente scoperte da Chadwick nel 1932.

Ripetiamo: l'atomo è quindi composto principalmente da tre tipologie di particelle subatomiche (cioè di dimensioni minori dell'atomo): i protoni, i neutroni e gli elettroni.

In particolare:

· i protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica) formano il "nucleo" (carico positivamente); protoni e neutroni sono detti quindi "nucleoni";

· gli elettroni (carichi negativamente) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa (l'elettrone si dice quindi "delocalizzato"), rimanendo confinati all'interno degli orbitali (o "livelli energetici").

In proporzione, se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro; un nucleone ha massa quasi 1800 volte superiore a quella di un elettrone.

Particella	Simbolo	Carica	Massa
Elettrone	e^-	-1,6 × 10⁻¹⁹ C	9,10 × 10⁻³¹ kg
Protone	p+	1,6 × 10⁻¹⁹C	1,67 × 10⁻²⁷ kg
Neutrone	n	0 C	1,67 × 10⁻²⁷ kg

In considerazione del fatto che la massa dei protoni, dei neutroni e degli elettroni è estremamente piccola si preferisce usare una nuova unità di misura: l'unità di massa atomica (udm) , che, con ottima approssimazione equivale alla la massa di un protone e quindi anche di un neutrone. Per la precisione una unità di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (¹²C).

L'elettrone ha una massa che è circa 0,00054 udm. allora la tabella precedente diventa:

Particella	Simbolo	Carica	Massa
Elettrone	e^-	-1,6 × 10⁻¹⁹ C	0,00054 udm
Protone	p+	1,6 × 10⁻¹⁹C	1,00 udm
Neutrone	n	0 C	1,00 udm

Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:

· Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo

· Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo, che, allo stato neutro, corrisponde al numero di elettroni esterni ad esso.[11]

Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico.

isotopi

Attenzione:

i protoni, i neutroni e gli elettroni sono particelle sempre con le medesime caratteristiche, di qualsiasi elemento si trovino a far parte. Cioè i protoni nel nucleo dell'oro sono esattamente come i protoni nel nucleo del mercurio, semplicemnente nel mercurio sono 80 e nell'oro 79.

Ciò che fa di un atomo un atomo di quel particolare elemento è il numero di protoni che lo costituiscono. i chimici lo indicano con la lettera Z.

Cioè un atomo è di idrogeno perchè ha un solo protone, invece è di elio se ha due protoni, è di litio se ne ha tre, ecc.

Atomi che hanno lo stesso numero atomico Z (e quindi appartengono allo stesso elemento), ma differiscono per il numero di protoni presenti nel nucleo prendono il nome di isotopi di quell'elemento.

Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi ³⁵Cl ³⁷Cl

Entrambi gli atomi di cloro hanno 17 protoni (per questo sono cloro). I due isotopi però differiscono nel numero di massa A poichè hanno un diverso numero di neutroni: 18 nel primo e 20 nel secondo.

ioni

Anche il numero degli elettroni può essere in certi casi un pò diverso dal numero dei protoni: per ione si intende un atomo o un raggruppamento di atomi che ha un diverso numero di elettroni rispetto ai protoni e quindi ci appare come carico perchè ricordiamo che elettroni e protoni hanno la stessa carica elettrica, ma opposta.

Gli ioni carichi positivamente sono chiamati cationi (es. Na⁺) mente gli ioni carichi negativamente sono chiamati anioni (es. Cl^-).

Ca⁺⁺ è un atomo di calcio ha perso due elettroni.

SO4^2- indica un raggruppamento di atomi che ha due elettroni in più rispetto al numero di protoni.

Per avere un'idea della dimensione di un atomo, può essere utile confrontare tale dimensione con la dimensione di oggetti più grandi, ad esempio:

· il diametro di un capello umano corrisponde a circa un milione di atomi di carbonio disposti in fila;

· una goccia d'acqua contiene 2 × 10²¹ atomi di ossigeno e 4 × 10²¹ atomi di idrogeno;

· se una mela diventasse della dimensione della Terra, gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale.