Atomo: spiegazione, definizione e struttura

Cos'è un atomo? Significato e struttura dell'atomo, definizione e numero atomico. Spiegazione della differenza tra i modelli atomici, il più famoso dei quali è quello di Bohr
Atomo: spiegazione, definizione e struttura
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1Premesse all'atomo

È dai tempi della filosofia classica che si parla dell'atomo. Cos'è un atomo, e perché è così importante conoscerne la struttura? Nella nostra vita quotidiana usiamo 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 costituiti da particelle piccolissime chiamate, appunto, atomi.     

2L'atomo

Rappresentazione grafica di un atomo di trizio
Fonte: ansa

L’unità strutturale di un elemento è l’atomo, si tratta della 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
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 di Nagaoka

Nel modello di Nagaoka - da lui ideato nel 1904 - gli elettroni sono disposti in anelli rotanti attorno ad un nucleo centrale, di carica positiva. Per la prima volta viene postulata l’esistenza di un nucleo atomico. È definito modello atomico saturniano perché:

  1. gli elettroni con carica negativa ruotano attorno al nucleo allo stesso modo di Saturno con i suoi anelli;
  2. l’esistenza di un nucleo centrale massiccio è in analogia con le proporzioni tra la massa di Saturno e quella dell’anello;
  3. gli elettroni ruotano attorno al nucleo legati dalla forza elettromagnetica, così come la forza gravitazionale fa ruotare gli anelli attorno al pianeta.

Rutherford menziona il lavoro di Nagaoka nel 1911, nell’articolo in cui comunica la scoperta del nucleo. Il modello di Nagaoka risulta parzialmente corretto, l’errore nel modello sta nell’aver pensato il nucleo come grande e massiccio, in realtà si è scoperto essere molto più piccolo, inoltre un anello di carica elettrica sarebbe risultato instabile ed oscillante.

3.4Modello 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"
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  

3.5Modello 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. 

    Domande & Risposte
  • Quali sono i componenti di un atomo?

    Protoni, neutroni ed elettroni.

  • Che differenza c’è tra l’atomo e la molecola?

    L’atomo è la parte più piccola di un elemento che conserva le sue proprietà chimiche, mentre la molecola è un insieme di atomi uniti da un legame chimico.

  • Quanti tipi di atomi ci sono in natura?

    In natura, esistono circa 90 atomi diversi.