Il mondo intorno a noi
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Il mondo intorno a noi STRUTTURA DELL’ATOMO Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di materiali e forme di materia Sorprendentemente questa grande varietà di materia è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali. La parola fondamentale e/o elementare sarà una parola chiave lungo tutto il nostro percorso di esplorazione dell'infinitamente piccolo. Per mattoni fondamentali intendiamo oggetti privi di una struttura interna, ovvero oggetti che a loro volta non possono essere scomposti in entità più piccole. Prof. Crosetto Silvio L’idea dell’ Atomo L'idea dell'esistenza di tali entità fondamentali risale al tempo dell'antica Grecia, ai filosofi greci Leucippo e Democrito nel V secolo avanti Cristo. Essi credevano che tutta la materia dell'Universo fosse fatta di piccolissimi mattoni indivisibili (che essi chiamarono atomi che in greco significa appunto non divisibile) separati dal vuoto. Aristotele invece sosteneva che "la natura aborre il vuoto" e immaginava che la materia fosse indefinitivamente divisibile in parti sempre più piccole. L'opinione di Aristotele prevalse, e l'ipotesi dell'atomo fu quasi completamente dimenticata per più di duemila anni. Atomi di silicio al microscopio elettronico Democrito Aristotele La teoria della materia secondo Aristotele prevedeva l’esistenza di quattro elementi fondamentali e di quattro qualità. Ciascun elemento era caratterizzato da due qualità, così la terra è secca e fredda, l’acqua è fredda e umida, l’aria è umida e calda ed il fuoco è caldo e secco. Un elemento può cambiare se cambiano le sue qualità. La trasformazione è più facile tra elementi con qualità in comune: la terra (fredda e secca) si trasforma in acqua quando il secco si trasforma in umido. In seguito i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa chiamati elettroni. Nuclei ed elettroni si combinano in diversi modi, tali da determinare le diverse proprietà chimiche osservate. Per un certo tempo i fisici pensarono che gli elettroni e il nucleo fossero gli atomi dei greci, le particelle elementari di cui tutta la materia è composta. Avevano solo parzialmente ragione. Mentre l'elettrone è ancora oggi ritenuto indivisibile, nuovi esperimenti mostrarono che il nucleo atomico non è una particella fondamentale 2. Pelle della mano 3. Cellula della pelle 5. Nucleo dell’atomo Questa denominazione ebbe successo. I vari elementi chimici vennero catalogati in gruppi che mostravano proprietà simili da cui derivò La Tavola Periodica degli Elementi In seguito i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa chiamati elettroni . Dmitrij Ivanovich Mendeleev Tobolsk 1834 = Pietroburgo 1907 Quali particelle sono fondamentali? 1. Mano 4. Atomo Per più di duemila anni l'idea di Aristotele ebbe la meglio, ma a partire dal diciottesimo secolo gli scienziati, con una serie di scoperte che hanno dato origine alla chimica moderna, hanno dimostrato che tutte le sostanze sono scomponibili in piccolissimi costituenti corpuscolari, troppo piccoli per essere osservati con le tecniche dell'epoca. Seguendo la tradizione greca i chimici chiamarono tali costituenti atomi. Il nucleo atomico è una particella fondamentale? No, anche il nucleo ha una struttura interna, è composto di particelle con carica elettrica positiva chiamate protoni e di particelle prive di carica elettrica chiamate neutroni. Protoni e neutroni sono genericamente chiamati nucleoni Allora i protoni e i neutroni sono particelle fondamentali ? No. Protoni e neutroni sono composti di particelle ancora più piccole chiamate quark. Negli anni 60 un esperimento eseguito a SLAC (Stanford Linear ACcelerator) e una serie di esperimenti eseguiti in Italia nei Laboratori di Frascati presso l'acceleratore ADONE , dimostrarono infatti che neanche i protoni e i neutroni sono elementari . Protone e neutrone sono ognuno composti di tre particelle più piccole alle quali è stato dato il nome di quark su proposta del fisico Murray Gell-Mann, che ne aveva già ipotizzato l'esistenza prima della scoperta Per quanto ne sappiamo fino ad ora i quark insieme agli elettroni sono particelle fondamentali quindi non possono essere ulteriormente scomposte in entità più piccole nucleo neutrone protone 1 Le dimensioni dell'atomo Le dimensioni dell'atomo La diapositiva a lato mostra atomi di silicio a) ripresi con un microscopio ad effetto tunnel b) ripresi con um microscopio elettronico Per avere una idea del diametro di un atomo dobbiamo prendere un metro dividerlo in un miliardo di volte e poi ancora in dieci parti! Per indicare questa misura si scrive 10-10 m ( cioè un metro diviso 10˙000˙000˙000) Le dimensioni dei nuclei sono 10-4 volte più piccole (cioè diecimila volte più piccole) di quelle dell'atomo. Insomma tra i diametri del nucleo e dell’atomo c’e un rapporto pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di san Pietro a Roma. Le dimensioni dell'atomo L’elettrone Se in proporzione il nucleo di un atomo avesse un diametro equivalente al cerchio di centrocampo dello stadio Olimpico in Roma, gli elettroni più vicini si troverebbero ad orbitare ad una distanza che li porterebbe sopra lo stadio di San Siro a Milano E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò significa che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto, un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia. Aristotele aveva veramente torto: la materia è essenzialmente composta dal vuoto !! L'unica ragione per cui il nostro corpo, e la sedia su cui siamo seduti, ci sembrano cosi solidi e impermeabili, è perché tali quantità infinitesime di materia sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibili ma potentissime molle. Il protone Il protone è insieme al neutrone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici. Il protone è molto più pesante dell'elettrone, la sua massa è infatti circa 2000 volte quella dell'elettrone. mp = 1.673 × 10-27 kg Il raggio del protone è rp = 1 fm (1 fm = 10-15 m) Questa grandezza viene chiamata fermi (fm) dal nome del grande fisico italiano Enrico Fermi ed è spesso usata per le misure atomiche e subatomiche. Per ottenere un fermi dobbiamo dividere un metro in un miliardo di parti poi dividere quanto ottenuto in un milione di parti!! Comunemente il protone viene abbreviato con il simbolo p. La carica elettrica del protone è uguale a quella dell'elettrone ma ha segno opposto, cioè è positiva: qP = + e Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un grammo di materia !! La sua massa è infatti: me = 9.11 × 10-31 kg Mentre il raggio dell'elettrone è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo inoltre che è privo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole. Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo eLa sua carica elettrica per convenzione è negativa. La carica dell'elettrone qe viene identificata come carica elementare. In questo modo la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare qe. Il neutrone Il neutrone è insieme al protone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici. Il neutrone ha massa dello stesso ordine del protone, la sua massa è infatti circa mn = 1.675 × 10-27 kg Comunemente il protone viene abbreviato con il simbolo n. Il neutrone non ha carica elettrica 2 Le particelle nell’atomo 3
