Atomo: definizione, struttura e modelli atomici

Atomo: definizione, struttura e modelli atomici A cura di Francesca Cusa.

L'atomo: definizione e struttura di questa piccolissima unità e differenza tra i diversi modelli atomici, tra cui il più famoso è quello dell'atomo di Bohr

1Premesse all'atomo

Nella nostra vita quotidiana usiamo continuamente degli oggetti che sono costituiti da atomi. Basti pensare agli orecchini d’oro o d’argento che indossiamo o al chiodo di ferro che sorregge la nostra foto preferita. Tutti i materiali che esistono e con cui noi entriamo in contatto sono quindi costituiti da particelle piccolissime chiamate atomi. 

2L'atomo

Rappresentazione grafica di un atomo di trizio
Rappresentazione grafica di un atomo di trizio — Fonte: ansa

L’unità strutturale di un elemento è l’atomo, ossia la più piccola parte di un elemento che conserva le sue proprietà durante una reazione chimica a cui può prendere parte. L’atomo di un elemento è costituito da una zona centrale chiamata nucleo, in cui sono presenti particelle cariche positivamente (i protoni) e prive di carica (i neutroni). Intorno al nucleo è presente una regione occupata da particelle di carica negativa (gli elettroni). Ogni atomo differisce dagli altri per il numero di protoni, neutroni ed elettroni.

Dal momento che ogni atomo deve essere elettricamente neutro, il numero dei protoni, chiamato numero atomico ed indicato con la lettera Z, è uguale al numero degli elettroni.

La somma dei protoni e dei neutroni viene, invece, indicata con la lettera A ed è nota come numero di massa. La differenza tra il numero di massa e il numero atomico determina il numero di neutroni presenti nel nucleo atomico. La massa degli elettroni, essendo molto piccola rispetto a quella dei protoni e dei neutroni, può essere trascurata.

Esistono inoltre dei casi in cui atomi dello stesso elemento presentano lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di massa (A), cioè pur avendo lo stesso numero di protoni hanno un numero differente di neutroni. Tali atomi vengono chiamati isotopi.

3Scoperte scientifiche riguardo l'atomo

3.1Teoria di Dalton

La moderna teoria atomica è il risultato di un susseguirsi di importanti scoperte scientifiche. Nei primi anni del 1800, l’inglese John Dalton (1766 – 1844) propose la prima teoria sperimentale sulla natura della materia, nota come Teoria di Dalton, basandosi su alcuni postulati, in parte considerati tutt’oggi validi:

  • la materia è formata da particelle piccolissime, indivisibili, chiamate atomi
  • gli atomi non possono essere creati, divisi o trasformati in atomi di tipo diverso
  • gli atomi di uno stesso elemento sono uguali tra di loro
  • gli atomi presenti in elementi diversi hanno masse differenti e si combinano tra loro secondo rapporti espressi da numeri interi per formare i composti
  • la reazione chimica consiste nella separazione e ricombinazione di atomi

3.2Modello di Thomson e Rutherford

Joseph John Thomson, fisico britannico noto per aver scoperto l'elettrone e il protone e aver contribuito all'individuazione della struttura dell'atomo
Joseph John Thomson, fisico britannico noto per aver scoperto l'elettrone e il protone e aver contribuito all'individuazione della struttura dell'atomo — Fonte: getty-images

Successivamente alla teoria di Dalton, Thomson propose un modello per descrivere la struttura atomica secondo il quale l’atomo era costituito da una sfera di cariche positive (i protoni) in cui erano dispersi dei granelli di carica negativa (gli elettroni) per controbilanciare le cariche.

Tale modello risultò però inadeguato per Rutherford. Egli, infatti, giunse alla conclusione che l’atomo fosse costituito da un nucleo piccolo e denso in cui era presente la maggior parte della massa e della carica positiva e che gli elettroni, carichi negativamente, fossero localizzati nella regione esterna al nucleo, in uno spazio 10000 volte più grande del nucleo.

3.3Modello atomico di Bohr

In seguito Niels Bohr (1885 – 1962) propose un nuovo modello atomico, noto come modello atomico di Bohr, che si basava sui seguenti postulati riguardanti l'atomo e, soprattutto, gli elettroni:

  • Gli elettroni in stato stazionario (in assenza di eccitazione) descrivono delle orbite circolari, dette orbite stazionarie, intorno al nucleo: ad ogni orbita corrisponde un livello energetico den definito.
  • Un elettrone si muove su una determinata orbita solo se il suo contenuto energetico rispecchia quello dell’orbita in cui si trova. Ogni orbita, man mano che ci si allontana dal nucleo, presenta un contenuto energetico crescente.
  • L’assorbimento di energia di un elettrone determina uno stato atomico eccitato e permette il passaggio dell’elettrone da un’orbita iniziale ad una finale con un livello energetico superiore.
  • Il processo che permette all’elettrone di tornare al suo stato fondamentale da un’orbita con livello energetico superiore è noto come processo di rilassamento.
Niels Bohr, famoso per il suo cosiddetto "atomo di Bohr"
Niels Bohr, famoso per il suo cosiddetto "atomo di Bohr" — Fonte: getty-images

L’atomo di Bohr poteva essere quindi rappresentato come una serie di orbite circolari disposte intorno al nucleo, indicate mediante un numero intero (1, 2, 3, etc).
Il numero massimo di livelli energetici (7) era indicato con una delle lettere K, L, M, N, O, P, Q, corrispondenti ai livelli di energia crescenti (n = 1, 2, 3,..,7).
Il numero massimo di elettroni presente in ogni livello energetico veniva calcolato in base alla relazione:

numero massimo elettroni = 2∙n²

3.4Modello di Sommerfeld e Pauli

Il modello atomico di Bohr fu successivamente rivalutato da Sommerfeld. Egli scoprì la presenza, oltre alle orbite circolari, di orbite ellittiche: questo portò all’introduzione di un numero quantico secondario, l, e di un numero quantico magnetico, m, per considerare anche le orbite inclinate.

Nel 1924 W. Pauli introdusse un quarto numero quantico, noto come numero quantico di spin, m, per la rotazione dell’elettrone intorno al proprio asse.