Diversi modelli di Atomo

Di Redazione Studenti.

Lo studio dell'atomo di diversi Chimici: da Dalton a Bohr


DALL’ATOMO DI DALTON ALL’ATOMO DI BOHR

L’atomo: il componente fondamentale della materia:
Congresso internazionale di Karlsruhe (1859) → l’atomo daltoniano doveva essere considerato la particella più piccola, indivisibile e indistruttibile di cui ogni sostanza è costituita.
Proprietà che contraddicono questa interpretazione:

  • La comparsa di cariche elettriche + e – sui corpi strofinati,
  • L’evidenziarsi di cariche elettriche + e – nelle soluzioni attraversate da corrente elettrica,
  • L’emissione spontanea da particolari sostanze (radioattive) di radiazioni denominate raggi a (carichi positivamente), raggi b (carichi negativamente) e raggi g (privi di carica elettrica).

Atomo → non è la particella ultima della materia → esistono particelle ancora più piccole a costituirlo → protoni, elettroni, neutroni detti particelle subatomiche.
Gli atomi dei vari elementi differiscono tra loro per il numero di queste particelle.

La materia e l’elettricità:
Dal termine greco elektron (ambra) si coniò l’attributo elettrico, per definire la capacità dell’ambra, se strofinata con un panno asciutto di lana, di attrarre corpi molto leggeri.
Due corpi, entrambi elettrizzati, possono comportarsi in modo diverso rispetto ad un altro corpo, si può dedurre che esistono due diversi stati elettrici, positivo + e negativo –.

  • corpo carico di elettricità positiva (vetrosa) se si comporta come il vetro strofinato, carico di elettricità negativa (resinosa) se si comporta come l’ambra o la plastica.

Rispetto alla trasmissione dell’elettricità i corpi si dividono in:

  • conduttori: consentono il passaggio dell’elettricità,
  • coibenti o isolanti: non consentono il passaggio dell’elettricità, la trattengono.
  • Due corpi aventi carica elettrica opposta si attraggono, mentre due aventi carica elettrica uguale si respingono.

La forza F con cui si attraggono o si respingono è data dalla legge di Coulomb:
F=k (q1q2)/r2 formalmente è uguale alla legge di gravitazione universale
dove q1 e q2 sono le quantità di carica elettrica dei due corpi e r la loro distanza → la forza F diminuisce con l’aumentare della distanza e aumenta con il diminuire di quest’ultima. Un corpo che possiede lo stesso numero di cariche di segno opposto è elettricamente neutro.

  • Campo di forza = una porzione delle spazio entro la quale agiscono forze di un dato tipo. Ogni campo è caratterizzato dalle sue linee di forza, alle quali le forze del campo sono in ogni punto tangenti (escono da un polo terminano nell’altro, per convenzione da positivo a negativo).
  • Forze di natura elettrica = campo elettrico,
  • Forze di natura gravitazionale = campo gravitazionale,
  • Forze di natura magnetica = campo magnetico, sempre dipolare.

Le particelle subatomiche:
Posseggono ben precisi valori di massa e di carica elettrica:

  • Elettrone: particella più piccola presente nell’atomo, massa quasi trascurabile (9.11 * 10-31 kg), carica = 1–. Si considera l’unità di carica elettrica negativa.
  • Protone: massa superiore (1.673 * 10-27 kg) e carica uguale all’elettrone ma positiva = 1+.
  • Neutrone: particella priva di carica e avente massa circa uguale a quella del protone (1.675 * 10-27 kg).

Atomo → elettricamente neutro → stesso numero si protoni ed elettroni.

  • Protoni e neutroni convivono nella parte centrale e piccolissima dell’atomo = nucleo e insieme formano la massa dell’atomo.
  • Protoni = hanno tutti la stessa carica ma possono coesistere nel nucleo poiché in esso esiste una potentissima forza in grado di agire su distanze infinitamente piccole = forza nucleare, capace di tenere saldamente insieme i nucleoni.
  • Elettroni = grande energia cinetica, si muovono intorno al nucleo.
  • Numero atomico (Z) = numero di protoni,e quindi di elettroni, presenti in un atomo.
  • Numero di massa (A) = numero totale di protoni (Z) e di neutroni (N) presenti nel nucleo di un atomo → A = Z + N.

Gli isotopi:
Isotopi = nuclidi (nuclei di cui si conoscono Z e A) di uno stesso elemento aventi lo stesso Z ma differente A.
La maggior parte degli elementi presenta isotopi: in media ogni elemento ne ha tre.

  • La massa atomica è in realtà calcolata come media delle masse atomiche dei vari isotopi, tenuto conto numericamente della loro diffusione percentuale in natura.

La radioattività spontanea:
Henri Bacquerel (1896) scoperta quasi casuale della radioattività spontanea propria di alcuni elementi.

  • Radioattività = capacità di questi elementi di emettere spontaneamente radiazioni o raggi di tre tipi, a, b, g.
  • Radiazioni a sono particelle che recano con sè due cariche positive ++. Tra le particelle abg sono le meno penetranti, ionizzano molto facilmente i gas.
  • Radiazioni b sono particelle che recano con sé una carica negativa – .sono costituite da elettroni molto veloci, più penetranti delle particelle a ma ionizzano i gas in minor misura.
  • Radiazioni g sono particelle prive di carica elettrica, natura ondulatoria come la luce. Potere penetrante assai elevato, attraversano notevoli spessori di piombo o altri metalli.

La luce e la materia: la natura dualistica della luce:

  • Newton = luce formata da uno sciame di particelle infinitesime. Uscendo dalla sorgente che le generava si propagavano in linea retta e in tutte le direzioni dello spazio.
  • Huygens = comportamento ondulatorio. Si propagava nello spazio come un’onda (sasso nello stagno).

Avevano ragione entrambi.

La luce come onda elettromagnetica:
Caratteristiche dell’onda:

  • Lunghezza d’onda λ = distanza che intercorre tra due creste successive (massimi) dell’onda. L’u.d.m. è il metro o i suoi sottomultipli.
  • Ampiezza d’onda A = distanza del massimo della cresta dall’asse di propagazione dell’onda.
  • Frequenza n = numero di onde che passano per un dato punto nell’unità di tempo (s). L’u.d.m. è l’hertz (Hz).
  • Velocità di propagazione c = assume valori diversi a seconda del tipo d’onda e del mezzo in cui esso di propaga.

Luce: c = 3 * 108 m/s ovvero 300.000 km/s.
λ = c
n
n = c
λ.

La luce: quanti di energia:

  • Max Plank (1900) = applica all’energia quello che Dalton aveva applicato alla materia. Ipotesi rivoluzionaria → l’energia radiante non viene emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite (discontinue) dette quanti.

Energia associata a un quanto di frequenza n è: E = hn
dove h è la costante determinata da Plank chiamata quanto di azione e vale 6.625 * 10-34 e l’u.d.m. è J * s.

  • I quanti che formano una radiazione azzurra sono più ricchi di energia dei quanti che formano un radiazione rossa, poiché la loro frequenza è più elevata.

L’effetto fotoelettrico e i quanti di energia:
1905 Einstein applica l’ipotesi di Plank per spiegare l’effetto fotoelettrico.
Lamina metallica →investita da radiazioni di frequenza sufficientemente elevata → si carica positivamente.
Scoperta dell’elettrone → si provò che l’effetto era dovuto all’emissione di elettroni dalla lamina.
Tali elettroni sono trattenuti all’intero del metallo da una certa energia e per espellerli all’esterno occorre investire il metallo con una radiazione avente E = hn almeno uguale all’energia che li trattiene.
I dati sperimentali raccolti da Einstein non sono in accordo con la teoria ondulatoria della luce, secondo la quale l’energia di un’onda è proporzionale al quadrato della sua ampiezza A.
Queste osservazioni indussero Einstein a confermare l’ipotesi di una natura anche corpuscolare della luce. Infatti solo particelle cariche di sufficiente energia sarebbero in grado non solo di spostare altre particelle, ma anche di impartire loro un’accelerazione.

  • Alle particelle di luce venne dato il nome di fotoni.

Il modello atomico di Niels Bohr:
Geniale interpretazione della struttura della materia. Distinse il comportamento dell’elettrone dentro l’atomo eccitato da quello dentro l’atomo in condizioni normali.
Due postulati:

  • Sullo stato stazionario: 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).
  • Sullo stato eccitato: si verificano emissioni di energia, sotto forma di onde elettromagnetiche, solo quando un elettrone salta da un’orbita stazionaria ad energia maggiore ad un’altra ad energia minore.

Il modello atomico che ne deriva è rappresentato da orbite circolari, concentriche attorno al nucleo, la cui esistenza è possibile solo se si verifica per esse la seguente condizione quantistica: mvr = nh/2π
m = massa dell’elettrone, v = sua velocità, r = raggio dell’orbita, h = costante di Plank.
L’intero n viene chiamato numero quantico principale.
Tale condizione distingue le orbite stazionarie, le uniche permesse nell’atomo, dall’infinito numero delle orbite immaginabili.
Possibile calcolare i valori del raggio rn e dell’energia En di un’orbita stazionaria qualunque che assume il significato di livello energetico:
rn = [ h2 /(4π2 me2)]n2