IL MODELLO ATOMICO
tempistica e concetti fisici di base
John Joseph Thomson (1856-1940) fisico e matematico inglese .
- premio Nobel nel 1906, considerato lo scopritore dell'elettrone
1897 – scoprel’elettrone
1906 – definisce Modello Panettone : l'atomo e costituito da una sfera di carica positiva in cui sono
disseminati gli elettroni “come l'uvetta nel panettone””
Ernest Rutherford (1871-1937) fisico neozelandese.
premio Nobel nel 1908 per la chimica
1911 - Modello Planetario :L’atomo è costituito da un nucleo positivo estremamente piccolo posto
al centro di una sfera molto più grande , dove la carica negativa degli elettroni è distribuita in modo
più o meno uniforme
L’Atomo è costituito dal 99,99% di spazio vuoto.
2) Il nucleo contiene una carica positiva e la maggior parte di massa dell’atomo.
3) Il nucleo è approssimativamente 100 volte più piccolo dell’atomo.
Robert Andrei Millikam (1868 – 1953) fisico americano .
premio Nobel nel 1923 - Misurò la carica dell’elettrone e l’energia di emissione degli elettroni
1907-1911 – in natura la carica elettrica è quantizzata, cioè assume soltanto un insieme di valori ben befiniti
Niels Bohr ( 1885-1962) fisico danese
íl premio Nobel nel 1922 per il modello atomico
Allievo di Rutherford scopre i limiti del modello atomico planetario in contrasto con le leggi della fisica classica:
FISICA CLASSICA : MECCANICA - ELETTROSTATICA
Per la meccanica e l’elettrostatica, un satellite(elettrone) che ha la velocità adatta può trovarsi a qualunque distanza r
dal suo pianeta (nucleo):
m sat
m m
v2
1 ( − e )(( + e )
= G sat 2 pian =
r
r
4πε o
r2
Millikam aveva trovato che l’elettrone aveva una carica –e e applicando il moto del satellite con la legge di Coulomb,è
possibile calcolare sia la velocità orbitale che l’energia totale (cinetica e potenziale) dell’elettrone legata ad una
particolare orbita
v2 =
1
e
4πε o r 2
E tot = U + K = −
1
e
8πε o r
FISICA CLASSICA : ELETTROMAGNETISMO
Per leggi dell’elettromagnetismo: un elettrone è una carica (con il suo campo elettrico), in movimento (quindi in
accelerazione) genera, per il movimento, un campo magnetico; questi due insieme generano un onda
elettromagnetico. L’onda elettromagnetica (luce, onde radio etc) per le leggi dell’elettromagnetismo irradia energia,
quindi un elettrone che percorre una data orbita dovrebbe irraggiaggiare energia..
Ma se irraggia (perde energia ) questa E tot diminuisce e con esso il raggio, quindi gli elettroni (i pianeti) sarebbero
dovuti cadere sul nucleo (il sole) in un tempo molto breve!
Contemporaneamente altri studiavano Le proprietà di radiazione dei corpi neri.
Un corpo caldo cede energia ad esempio irraggiando radiazione elettromagnetica. Quando un corpo assorbe
completamente radiazione elettromagnetica di qualunque lunghezza d’onda λ viene detto corpo nero.
Wilhelm Karl Werner Wien (1864 – 1928) fisico tedesco
premio Nobel nel 1911 per le proprietà delle radiazione di un corpo nero
1
Legge di Wien:
assoluta T .
λmax .T = costante ( ramo di iperbole ) massima potenza irraggiata per un corpo nero alla temperatura
Lo spettro di emissione (il colore della luce) dipende dalla temperatura del
corpo e non (solo) dalla sua “chimica”, ma anche dalla sua temperatura.
A temperature oltre i 1000K il ferro emette onde elettromagnetiche con una frequenza nella banda
del visibile (λ<0.75µm).
Si ricorda che per la legge di Stefan – Boltzman la potenza irraggiata, è
proporzionale alla temperatura assoluta T (alla quarta potenza).
Nelle sperimentazioni lo spettro di emissione mostrava che la potenza di
irraggiamento (watt/m2) non era un ramo di iperbole rispetto alla lunghezza
d’onda, come nella previsione classica, ma la curva si annulla a valori di
lunghezza d’onda bassi.
Max Karl Ernst Ldwiig Planck (1858 – 1947) fisico tedesco
premio Nobel nel 1918 per le proprietà delle radiazione di un corpo nero
Nel 1900 Max Planck formulò un modello che spiegava il modello sperimentale dello spettro di emissione,
ipotizzando che l’emissione dell’energia avviene attraverso “pacchetti di energia” da lui definiti quanti del campo
elettromagnetico o più semplicemente quanti.
Secondo Planck l’energia scambiata è direttamete proporzionale alla frequenza dell’onda elettromagnetica assorbita o
emessa :
E= n h f ;
h = 6,62607 x 10-34 J s
dove n è un numero intero f è la frequenza ell’onda elettromagnatica e h è una costante detta costate di Planck
Bohr si rifece alle scoperte effettuate da Plank sulla teoria dei quanti
IL MODELLO DI BOHR
Nel 1913 presentò la sua teoria quantistica dell'atomo che si rifaceva al modello
atomico di Rutherford, ma con quattro modifiche essenziali:
1. l'elettrone non può ruotare intorno al nucleo su orbite qualsiasi ma su orbite
fisse privilegiate, corrispondenti ai vari livelli di energia;
2. se l'elettrone persiste nel ruotare su queste orbite privilegiate non emette
energia nonostante la sua accelerazione e la frequenza di rotazione;
3.
l'elettrone può saltare spontaneamente da un livello all'altro;
4.
infine, la frequenza della radiazione emessa o assorbita nel salto è legata al "quanto" di energia dalla formula:
∆E = hf ove “h” è la costante di Planck e “f” è la frequenza della radiazione emessa o assorbita.
(la differenza di energia è liberata sotto forma di fotone)
Nell’atomo di Bohr il raggio dell’orbita, la velocità v dell’elettrone e la sua energia totale Etot non possono assumere
valori qualunque, ma solo un insieme ben definito di valori
Bohr calcolò, nel caso dell’atomo d’idrogeno, il raggio rn della n-esima orbita quantizzata:
dove me è la massa dell’elettrone
Il valore dell’energia totale di un elettrone che si trova sulla n-esima orbita è dato da:
E n= −
ε 0h2
rn = n
πm e e 2
2
1 me e 2
n 2 8πε o h 2
Efotone = hf
dove h = 6.63 x 10-34 Js E = Einiziale (n) - Efinale (n+1)
la differenza di energia è liberata sotto forma di fotone.
Si ricorda che per descrivere il comportamento chimico (tavola periodica) occorre aggiungere il principio di esclusione
di Pauli : su una stessa orbita non possono muoversi più di due elettroni.
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