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approfondimento > La scoperta dell’elettrone
CHIMICA DI BASE
Già gli antichi greci avevano notato che l’ambra, strofinata con uno straccio di lana, era in grado di attirare corpi leggeri, come pagliuzze o segatura. Nel XVII secolo furono chiamati fenomeni elettrici quei fenomeni di cui
sembrava essere responsabile l’ambra (in greco elektron)
e sostanze elettrizzate quelle in grado di attirare corpi
leggeri.
I fenomeni elettrici non sono propri solo dell’ambra:
una bacchetta di plastica o di vetro, strofinata con un
panno di lana, diventa ugualmente elettrizzata. Infatti,
la bacchetta attira piccoli pezzi di carta. Supponiamo di
avvicinare una bacchetta di vetro elettrizzata a una pallina di materiale leggero appesa a un filo (figura 1 A). Vediamo la pallina deviare dalla verticale e avvicinarsi alla
bacchetta.
figura 1 (A), una pallina
di materiale leggero devia
dalla verticale, se gli si avvicina una bacchetta elettrizzata. (B), una bacchetta
elettrizzata comunica il
suo stato elettrico a un
corpo non elettrizzato. (C),
la pallina caricata con la
bacchetta di vetro elettrizzata è respinta dalla stessa
bacchetta. (D), una pallina
caricata con la bacchetta di
vetro elettrizzata è attratta
da una bacchetta di ambra
elettrizzata.
A
Una bacchetta di vetro, caricata
elettricamente per strofinio,
attrae una pallina priva di carica
B
... fino a toccarla e a caricarla
elettricamente per contatto;
bacchetta e pallina hanno carica
elettrica dello stesso tipo.
C
La bacchetta di vetro e la pallina,
ora con carica elettrica dello
stesso segno, si respingono.
D
Una bacchetta di ambra, caricata
elettricamente per strofinio,
acquista una carica elettrica di
segno opposto rispetto alla
bacchetta di vetro e attrae la
pallina che ha lo stesso segno
rispetto alla bacchetta di vetro.
Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini - Progetto
Se con la bacchetta di vetro tocchiamo una pallina
appesa al filo, la pallina si elettrizza o, come si preferisce
dire, si carica (figura 1 B). Se avviciniamo nuovamente la
bacchetta di vetro alla pallina carica, notiamo che la pallina si allontana dalla bacchetta: fra i due corpi si esercita una repulsione (figura 1 C). Una bacchetta di ambra
elettrizzata esercita invece un’attrazione verso la pallina
resa carica dal vetro (figura 1 D). Dobbiamo concludere
che il vetro e l’ambra si elettrizzano in modo differente.
Già nella seconda metà del Settecento era stato dimostrato che esistono in natura due stati elettrici, cioè
due modi in cui i corpi si possono caricare. Convenzionalmente è chiamata positiva, e indicata con il segno +,
la carica del vetro, mentre è chiamata negativa, e indicata con il segno –, la carica delle sostanze resinose come
l’ambra.
Se avviciniamo due bacchette elettricamente cariche,
una di vetro e una di ambra, notiamo che si manifesta
una forza di attrazione, a ulteriore dimostrazione che
si sono caricate con segno opposto. Se poi le poniamo a
contatto, notiamo che la forza di attrazione cessa. Questo fatto indica che i due stati elettrici si sono annullati scambievolmente. Si può pertanto concludere che
le cariche di segno opposto delle due bacchette hanno
lo stesso valore assoluto. L’annullamento, così come la
comparsa degli stati elettrici, avviene simultaneamente.
Le sostanze e i corpi che ci circondano non manifestano generalmente proprietà elettriche. Ne concludiamo
pertanto che essi sono elettricamente neutri, cioè non
manifestano alcuno stato elettrico. A seguito dello strofinio, gli stati elettrici prendono origine simultaneamente. Ciò fa pensare che i corpi neutri siano tali non perché
privi di cariche elettriche, ma perché contengono un
uguale numero di cariche positive e negative.
Lo strofinio comporta il passaggio di cariche da un
corpo all’altro. A passare da una sostanza all’altra e a
provocare l’elettrizzazione devono essere particelle
cariche elettricamente provenienti dall’interno degli
atomi. Questa conclusione spinse a rivedere l’ipotesi di
Dalton che gli atomi siano i costituenti indivisibili della materia.
Il modello di atomo proposto da Dalton è stato assimilabile a quello di una sfera opaca e compatta. Ora dovremo rendere trasparente quella sfera per scoprire che
cosa contiene e che cosa si trasferisce.
Nella seconda metà del XIX secolo alcuni esperimenti dimostrarono che l’atomo è una struttura formata da
particelle più piccole. I componenti dell’atomo furono
chiamati particelle subatomiche. La prima particella
subatomica fu scoperta nel 1897 dallo scienziato Joseph
J. Thomson, che ne determinò alcuni parametri fisici, tra
cui la massa.
Thomson usò un dispositivo noto con il nome di tubo
di Crookes. Il tubo di Crookes è un tubo dal quale viene
estratta l’aria e nel quale rimane un gas molto rarefatto.
scienze naturali • Italo Bovolenta editore - 2011
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Nel tubo sono presenti due placche di metallo, chiamate elettrodi. I due elettrodi sono collegati a un generatore di corrente elettrica, per esempio una pila. L’elettrodo collegato al polo positivo della pila è chiamato anodo
e quello collegato al polo negativo catodo. Thomson osservò che, quando passava corrente nel circuito, l’anodo
era colpito da particelle provenienti dal catodo. Le particelle catodiche hanno carica negativa, infatti sono attratte da corpi con carica positiva (figura 2).
Thomson eseguì numerosi esperimenti con tubi contenenti gas diversi dall’aria ed elettrodi di materiali vari. Egli dimostrò che, quali che fossero il materiale di cui
erano costituiti gli elettrodi e il tipo di gas residuo presente nel tubo, le particelle negative avevano sempre le
stesse caratteristiche. Queste particelle furono chiamate
elettroni; Thomson ne misurò la massa e la carica elettrica. La massa risultò di 9,11 · 10–28 g e la carica elettrica,
di segno negativo, risultò essere la più piccola carica
elettrica fino ad allora conosciuta. Nel 1911 Robert Millikan scoprì che la carica dell’elettrone rappresenta la più
piccola carica elettrica esistente in natura e che tutte le
altre sono multiple di questa.
La facilità con cui gli elettroni possono essere separati dagli atomi nei tubi di Crookes portò a ipotizzare
che l’elettrizzazione dei corpi fosse dovuta al trasferimento di elettroni. Ad esempio, quando una bacchetta di ambra strofinata acquista carica negativa, si può
pensare che lo sfregamento abbia causato il trasferimento di elettroni dalla lana all’ambra. Quando invece
a essere strofinata su un panno di lana è una bacchetta
di vetro, che si carica positivamente, gli elettroni si trasferiscono dal vetro alla lana. Ci sono quindi, in generale, sostanze che tendono più facilmente ad acquistare
elettroni ed altre che tendono più facilmente a perderli.
Catodo
Anodo
Scala
graduata
Bobina
Alla pompa per il vuoto
APPARECCHIO
DI THOMSON
Catodo
figura 2 Thomson utilizzò per i suoi esperimenti il tubo di Crookes, un dispositivo costituito da un tubo con due elettrodi, nel
quale è fatto il vuoto. Nell’apparecchio si verifica l’emissione di
elettroni, che si liberano dal catodo e si dirigono verso l’anodo.
Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini - Progetto
Anodo
Generatore di corrente elettrica
scienze naturali • Italo Bovolenta editore - 2011
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